寧波材料所在繩驅(qū)動連續(xù)體機器人感知用類皮膚水凝膠傳感器取得進展
繩驅(qū)動連續(xù)體機器人（CDCR）是一種非常重要的軟體機器人，具有結(jié)構(gòu)輕巧、安全和自由度高等特點，能夠基于其自身的柔性和可拉伸性產(chǎn)生大幅度彎曲、扭轉(zhuǎn)變形等動作，因此它可以在狹窄和復雜的環(huán)境中很好地工作。然而目前CDCR系統(tǒng)中常用的光纖布拉格光柵傳感器模量高，伸長率極低，缺乏粘附機制，極大地限制了軟體機器人的運動并容易與機器人分層，這使得這種剛性的傳感器不適合集成系統(tǒng)。如何設(shè)計柔性可黏附傳感器，用于CDCR的自感知及其運動監(jiān)控仍是一個挑戰(zhàn)。
針對這一問題，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊的陳濤研究員、高國榮副研究員，與精密運動機器人團隊張弛研究員、鄭天江高級工程師等展開合作，基于兩個團隊在離子導電凝膠領(lǐng)域（Adv. Mater, 2020, 32, 2004290; Nano Energy, 2021, 90, 106614等）及CDCR領(lǐng)域（IEEE Access, 2019, 11, 174236, Symmetry, 2019, 11, 1158等）的研究基礎(chǔ)，通過由離子導電聚丙烯酰胺/海藻酸鹽/納米粘土聚合物復合水凝膠制成的類皮膚狀水凝膠傳感器實現(xiàn)了CDCR柔性自我感知（圖1）。
非共價交聯(lián)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的引入使水凝膠具有良好的可拉伸性（1840%）、自粘附性（6.6 kPa粘附強度）以及自修復性能（圖2）。同時能夠?qū)Χ喾N形變（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)）進行寬范圍的敏感響應（圖3）。將其作為類皮膚傳感器粘附在CDCR表面，CDCR能夠獲得感知運動的本體感覺和感知障礙物及陷阱的外感知（圖4）。進一步仿人類的感覺系統(tǒng)，構(gòu)建了用于調(diào)節(jié)CDCR彎曲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建了“驅(qū)動-傳感-反饋”指導后繼驅(qū)動的閉環(huán)控制（圖5）。該研究為設(shè)計可應用于繩索驅(qū)動的連續(xù)體軟機器人的傳感器和閉環(huán)系統(tǒng)建立了有效途徑。
該工作以“Cable-Driven Continuum Robot Perception Using Skin-Like Hydrogel Sensors”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2203241 （https://doi.org/10.1002/adfm.202203241）。本研究得到了國家自然科學基金（52073295）、國家重點研發(fā)計劃（2018YFC0114900）、浙江省自然科學基金（LD22E050008、LY21E030013）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大項目（2018B10057、2020Z022）、寧波市自然科學基金（202003N4359）、中國科學院前沿科學重點研究計劃（QYZDB-SSW-SLH036）、中德合作國際交流項目（M-0424）以及王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項目的支持。
圖1 類皮膚水凝膠傳感器用于繩驅(qū)動連續(xù)體機器人的感知
圖2 類皮膚水凝膠傳感器的構(gòu)建、修復與黏附等性能調(diào)控
圖3 類皮膚水凝膠傳感器的感知性能調(diào)控
圖4 繩驅(qū)動連續(xù)體機器人感知用類皮膚水凝膠傳感器
圖5 繩驅(qū)動連續(xù)體機器人水凝膠傳感器感知系統(tǒng)的閉環(huán)控制
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