用于软机器人的敏感陶瓷：开发基于陶瓷颗粒的软智能传感器材料

Josiah02 · 发表于前天 20:41

大多数人听到“陶瓷”一词时都会想到咖啡杯、浴室瓷砖或花盆。但弗兰克·克莱门斯却不这么认为。对于 Empa 高性能陶瓷实验室研究小组负责人来说，陶瓷可以导电、具有智能，甚至有感觉。
克莱门斯和他的团队正在开发基于陶瓷的软传感器材料。这种传感器可以“感知”温度、应变、压力或湿度等，这使得它们不仅在医学领域，而且在软机器人领域都有应用价值。这项研究发表在《先进智能系统》杂志上。
软陶瓷——它是如何工作的？克莱门斯等材料科学家将陶瓷定义为一种无机非金属材料，由松散颗粒在高温工艺（称为烧结）中形成。
陶瓷的成分各不相同，因此其性能也会发生变化。但在克莱门斯的实验室里，看不到陶器和瓷器。研究人员使用铌酸钠钾和氧化锌等材料，也使用碳颗粒。
这些材料都不柔软。为了将它们制成柔性传感器，研究人员将陶瓷颗粒嵌入可拉伸塑料中。
“我们采用所谓的高填充系统，”克莱门斯说，“我们采用热塑性塑料制成的基质，并在不损害基质弹性的情况下，用尽可能多的陶瓷颗粒填充基质。”
如果这种高度填充的基质随后被拉伸、压缩或暴露于温度波动中，陶瓷颗粒之间的距离就会发生变化，传感器的电导率也会随之变化。克莱门斯强调，没有必要用陶瓷填充整个基质：利用 3D 打印，研究人员还可以将陶瓷传感器作为一种“神经”嵌入柔性组件中。
精挑细选、聪明睿智
生产软陶瓷传感器并非易事。通常，软传感器同时对不同的环境影响敏感，例如温度、应变和湿度。“如果你想在实践中使用它们，你需要知道你在测量什么，”克莱门斯说。他的研究小组已经成功生产出只对压力或温度有选择性反应的软传感器。
研究人员将这些传感器集成到假手中。假手可以“感知”手指的弯曲，并注意到它何时接触到热表面。这种“敏感性”对于机器人抓取工具和人类假肢来说都是一个优势。
Empa 团队甚至更进一步，开发出一种柔软的“机器人皮肤”。与人类皮肤类似，多层塑料皮肤对触摸和温差有反应。
为了评估复杂的数据，Empa 的研究人员与剑桥大学的研究人员共同开发了一个人工智能模型，并使用大约 4,500 次测量的数据对其进行训练。这也让人想起人类的感知，因为我们皮肤的神经冲动会在大脑中进行评估和推断。
在他们最近的项目中，研究人员能够将陶瓷传感器与人造肌肉结合起来。他们与苏黎世联邦理工学院和东京大学的研究人员合作开发了一种生物混合机器人，该机器人借助柔软、生物相容、组织集成的压阻传感器来识别其收缩状态。
人与机器之间的安全协作
弗兰克·克莱门斯表示，其目标是让人类和机器安全和谐地协同工作。“如今的机器人系统体积庞大、笨重且非常坚固。它们对人类来说可能很危险，”研究人员解释道。如果未来我们要越来越多地与机器人共享工作场所，那么它们应该对触摸做出快速而灵敏的反应。
克莱门斯说：“如果你不小心碰到了别人，你就会本能地躲开。我们希望让机器人也拥有同样的反应能力。”
研究人员目前正在寻找机器人抓取系统领域的工业合作伙伴。但软传感器在医学领域也有需求——该团队最近与 IDUN Technologies 公司完成了一个 Innosuisse 项目，他们生产了用于脑电波测量的柔性电极。
这项工作还远未结束：研究人员希望使他们的软陶瓷传感器更加灵敏和智能。这涉及结合新的陶瓷材料和软聚合物并优化其传感器性能。成功的秘诀在于这两个组件的相互作用。

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