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宁波材料所在绳驱动连续体机器人感知用类皮肤水凝胶传感器取得进展
作者:,日期:2022-06-21

  绳驱动连续体机器人(CDCR)是一种非常重要的软体机器人,具有结构轻巧、安全和自由度高等特点,能够基于其自身的柔性和可拉伸性产生大幅度弯曲、扭转变形等动作,因此它可以在狭窄和复杂的环境中很好地工作。然而目前CDCR系统中常用的光纤布拉格光栅传感器模量高,伸长率极低,缺乏粘附机制,极大地限制了软体机器人的运动并容易与机器人分层,这使得这种刚性的传感器不适合集成系统。如何设计柔性可黏附传感器,用于CDCR的自感知及其运动监控仍是一个挑战。

  针对这一问题,ku体育app宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队的陈涛研究员、高国荣副研究员,与精密运动机器人团队张弛研究员、郑天江高级工程师等展开合作,基于两个团队在离子导电凝胶领域(Adv. Mater, 2020, 32, 2004290; Nano Energy, 2021, 90, 106614等)及CDCR领域(IEEE Access, 2019, 11, 174236, Symmetry, 2019, 11, 1158等)的研究基础,通过由离子导电聚丙烯酰胺/海藻酸盐/纳米粘土聚合物复合水凝胶制成的类皮肤状水凝胶传感器实现了CDCR柔性自我感知(图1)。

  非共价交联动态网络结构的引入使水凝胶具有良好的可拉伸性(1840%)、自粘附性(6.6 kPa粘附强度)以及自修复性能(图2)。同时能够对多种形变(拉伸、压缩、弯曲、扭转)进行宽范围的敏感响应(图3)。将其作为类皮肤传感器粘附在CDCR表面,CDCR能够获得感知运动的本体感觉和感知障碍物及陷阱的外感知(图4)。进一步仿人类的感觉系统,构建了用于调节CDCR弯曲的闭环控制系统,能够实现构建了“驱动-传感-反馈”指导后继驱动的闭环控制(图5)。该研究为设计可应用于绳索驱动的连续体软机器人的传感器和闭环系统建立了有效途径。

  该工作以“Cable-Driven Continuum Robot Perception Using Skin-Like Hydrogel Sensors”为题发表在Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2203241javascript:;)。本研究得到了国家自然科学基金(52073295)、国家重点研发计划(2018YFC0114900)、浙江省自然科学基金(LD22E050008、LY21E030013)、宁波市科技创新2025重大项目(2018B10057、2020Z022)、宁波市自然科学基金(202003N4359)、ku体育app前沿科学重点研究计划(QYZDB-SSW-SLH036)、中德合作国际交流项目(M-0424)以及王宽诚教育基金(GJTD-2019-13)等项目的支持。

图1 类皮肤水凝胶传感器用于绳驱动连续体机器人的感知

图2 类皮肤水凝胶传感器的构建、修复与黏附等性能调控

图3 类皮肤水凝胶传感器的感知性能调控

图4 绳驱动连续体机器人感知用类皮肤水凝胶传感器

图5 绳驱动连续体机器人水凝胶传感器感知系统的闭环控制

  (智能高分子材料团队 徐振宇、颜慧珍)