清華新聞網(wǎng)7月11日電 柔性微型機器人在體積、重量上都遠小于傳統(tǒng)的剛性機器人，可以勝任諸如狹小地形探測、災害救援等很多大型機器人難以完成的工作。但是在觸覺感知能力上，微型機器人由于帶負載能力弱、尺寸小，其通常無法直接搭載商用傳感器和應用傳統(tǒng)感知解決方案來獲得感知能力，必須通過與微型機器人的結構與功能相匹配的特殊設計，定制微型機器人的傳感器。因此如何在微型機器人驅動力弱、功率密度低、結構尺寸小的限制下實現(xiàn)機器人對外界環(huán)境的觸覺感知，對賦予微型機器人實用化和智能化具有重要意義。

圖1.（a）昆蟲觸角系統(tǒng)的解剖示意圖；（b）安裝仿生觸角的微型機器人；（c）仿生觸角感受器的傳感原理；（d）仿生觸角在機器人主動感知中的應用示意圖

近日，清華大學深圳國際研究院張旻、王曉浩團隊受自然界中昆蟲觸角的啟發(fā)，提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機（TENG）的自供電仿生觸角傳感器（SBA），用于微型機器人的自主環(huán)境感知，輔助微型機器人進行障礙躲避和地形預判。該仿生觸角主要由感受器、硬質導線和執(zhí)行器單元三個部分組成，分別模擬了昆蟲觸角中的機械/接觸化學感受器、神經(jīng)纖維和肌肉纖維(圖1)，完成接觸感知、信號傳導和驅動工作。

仿生觸角感受器由銀納米線包覆的多孔彈性體（ACES）為原材料制成，文中探究了ACES的制備工藝、導體性能和摩擦電性能。當感受器部分與外界環(huán)境中的物體進行接觸時，與外界物體之間形成單電極式摩擦納米發(fā)電機進行信號輸出，反映感受器與外界環(huán)境的接觸狀態(tài)以及接觸物的材料屬性。執(zhí)行器單元由聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜骨架和形狀記憶合金（SMA）彈簧構成，賦予仿生觸角水平方向和豎直方向的運動自由度，使得感受器部分可以進行自主檢測動作，實現(xiàn)主動感知。單個仿生觸角的重量約為70mg，并在體積和集成性上與微型機器人相匹配。

圖2.基于仿生觸角的微型機器人感知系統(tǒng)

圖3.（a）仿生觸角在水平面上的主動感知（在避障過程中，機器人通過讀取墻壁上預設的材料指令完成預設路線的行進）；（b）不同接觸材料對應的開路電壓信號

圖4.（a）仿生觸角在豎直面上的主動感知；（b）不同地形對應的開路電壓信號輸出

研究團隊進一步設計了基于仿生觸角的微型機器人感知系統(tǒng)（圖2）。通過仿生觸角的水平掃掠運動，微型機器人能夠主動收集墻壁上預先設置的“材料指令”，使機器人按照預先設定的路線移動（圖3）。通過仿生觸角的垂直擺動動作，感受器能夠區(qū)分平面、邊緣和斜坡/臺階地形，使微型機器人具有判斷地形通過性的能力，保證微型機器人在復雜地形行駛的安全性（圖4）。

相關成果以“用于微型機器人觸覺感知的摩擦納米發(fā)電機自供電仿生觸角”（Self-Powered Bionic Antenna based on Triboelectric Nanogenerator for Micro-Robotic Tactile Sensing）為題發(fā)表于《納米·能源》（Nano Energy）上。論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院張旻副研究員，第一作者為清華大學深圳國際研究生院2020級碩士研究生朱德寬。

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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108644