柔性触觉传感器,柔性触觉传感器可以随机械手灵活弯曲,和刚性机械手构成“刚柔并济”的类人结构,因此能够“类人化”感知目标物的形状、表面纹理和模量等多维物理信息,是水下机器人通过机械手开展精细化和交互式作业的关键部件。当前柔性触觉传感器大都采用封装的方式,用于防止内部传感部件与外界海水相通,这导致高静水压力会使柔性材料变硬,从而降低传感器的灵敏度甚至失效。因此,亟需通过原理和结构创新研究,突破现有技术瓶颈,推动高灵敏度深海触觉感知技术的发展。
近期,大连海事大学宋永欣教授团队在《Small》期刊发表了题为:“TPU/MOFs Electrospun Composite Film for Underwater Tactile Sensing and Finger Joint Bending Monitoring”的研究文章,该文章针对持续提高课题组先前开发的多孔薄膜静压平衡式水下触觉传感器灵敏度和可拉伸性问题需求,通过添加MOFs来引入-COOH官能团和使用静电纺丝工艺来增加薄膜的孔隙率等方式,使传感器的灵敏度和可拉伸性能得到显著提升。在此基础上,成功将TPU/MOFs传感器应用于水下手指弯曲角度监测和被抓物体形状识别,为水下触觉感知和机器人抓取作业提供了新思路。该工作得到了国家自然科学基金项目支持。
为提升薄膜的孔隙率,该工作使用静电纺丝工艺制备了TPU/MOFs薄膜,添加的具有高比表面积和纳米孔径(4.8-7.4?)的MOFs-801粉末,不仅进一步提高了TPU/MOFs薄膜的孔隙率,而且引入的-COOH基团显著提升了传感器的灵敏度。采用氮气吸附结合Barrett-Joyner-Halenda(BJH)模型以及Harkins-Jura厚度模型对TPU/MOFs膜的孔径分布进行了分析,结果表明多孔TPU/MOFs膜中介孔分布较为均匀,吸附和脱附过程中的平均孔径分别为11.8nm和9.14nm,说明介孔与部分大孔共存。此外,还存在少量孔径约为220nm的大孔,这种多层次的多孔结构有利于增大不同电性离子浓度差,从而提升传感灵敏度。

图1. TPU/MOFs薄膜制备及表征过程。(a) TPU/MOFs薄膜制备过程;(b) 静电纺丝孔结构SEM表征;(c) TPU ECF和TPU/MOFs ECF的FTIR光谱;(d) BJH方法计算的孔径分布
该工作系统性研究了TPU/MOFs薄膜自身因素,如MOFs-801浓度和孔隙率对传感器性能的影响。研究结果表明,传感器信号幅值随MOFs-801浓度和孔隙率的增加而增大,与 TPU ECF 相比,含有10 wt.%、20 wt.%和30 wt.% MOFs-801薄膜的信号幅值分别增加了79.46%、111.54%和167.74%。此外,传感器信号幅值随按压面积的增大而增大,信号的方向和幅值取决于按压或拉伸位置,据此特性可确定触压位置。此外,传感器还表现出较好的抗疲劳性,在 600 kPa 的外部载荷下,经过1400多次循环后传感器仍能正常工作。
图2 (a) 溶剂浇筑颗粒浸出法和静电纺丝工艺制备的薄膜;TPU/MOFs 传感器性能与 (b) 按压力度、(c) 按压位置、(d) 孔隙率、(e) MOFs-801浓度的关系;(f) 传感器耐久性测试
本工作还研究了离子浓度、水流流速、传感器浸泡时间和静水压对TPU/MOFs传感器性能的影响。实验结果表明:随着NaCl溶液浓度的增加,电流幅值先增大后减小;但传感器基本不受水流影响,在175 kPa时仅有约2.75%的偏差;未更换电极而浸泡4个月的传感器电流幅值下降了8.2%,这表明性能衰减主要来源于铜电极的氧化(5.6%),而MOFs-801水解的影响相对较小。当水深从0m增加到100m时,信号幅值仅下降约10.38%;传感器的信号幅值先随拉伸长度的增加而增大,继续增大拉伸长度,信号幅值不再增加。
图3 TPU/MOFs复合薄膜传感器性能与 (a)溶液离子浓度、(b) 水流流速、(c) 浸泡时间、 (d-f) 静水压大的关系。
作者利用该信号的幅值和方向与薄膜拉伸位置和拉伸长度相关的特性,将其安装在机械手指上,用于手指弯曲角度监测和被抓物体形状识别。作者首先将手指弯曲角度与弯曲产生的幅值进行标定,之后在抓取过程中,根据手指弯曲产生的电信号幅值反推出弯曲角度,通过构造横纵轮廓线,分析其曲率并拟合出物体的曲面,从而完成手指弯曲角度监测和形状识别,并演示了OK手势、抓取球体和圆柱体。
图4. 水下手指弯曲角度监测及形状识别
论文信息:TPU/MOFs Electrospun Composite Film for Underwater Tactile Sensing and Finger Joint Bending Monitoring, Small, 2025, e10062.
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202510062
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