- 頭條模仿動物毛發的觸覺機理，中國科學家設計出靈敏度更高的傳感器2022-03-02 作者：劉莎莎、王博文 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語受動物毛發的觸覺機理啟發，省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 、河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室的研究人員劉莎莎、王博文、黃文美、翁玲、高紹陽，在2021年第12期《電工技術學報》上撰文，采用磁敏材料Galfenol細絲設計一種仿生磁致伸縮觸覺傳感單元。實驗結果表明，研制的傳感陣列具有良好的穩定性與靈敏度，應用于機械手抓取物體時能夠精確感知接觸力信息。
觸覺是人和動物與外界環境交互不可或缺的感覺功能之一。許多動物的觸覺器官遍布其身，對于一些長毛動物，毛發感覺系統可以實現觸覺感知功能，例如，老鼠能夠使用胡須毛接觸物體獲得其方向和位置，蟋蟀、蝎子等尾部的絲狀毛發能夠檢測到微小的空氣波動來感知周圍環境的變化。
動物毛發具有柔韌性，這使得其在受力狀態時彎曲不易折斷，非受力狀態易于恢復原狀，鐵鎵磁致伸縮材料（Galfenol）細絲與毛發有一定的相似性。毛發通常與動物表皮成一定傾斜角度，裸露在外的毛發探測到細微刺激時將產生偏轉位移，深入表皮中的毛根附近分布著機械感受器，通過復雜的神經活動傳遞并處理觸覺信息，具有極高的靈敏度。
動物出色的毛發感覺系統啟發了研究人員開發新的觸覺傳感器，智能機器人可通過觸覺傳感器實現對接觸物體形狀、振動、壓力大小與分布等信息的感知。近年來，國內外研究人員對觸覺機理和敏感材料進行不斷地深入探究，研發了壓電式、壓阻式、電容式與光學式傳感器。但是壓阻、壓電及電容式傳感器制作工藝繁瑣，易受外界環境溫度影響，信號處理電路相對復雜。
鐵鎵磁致伸縮材料（Galfenol）拉伸強度和磁機轉化效率高，在較低的偏置磁場下即可表現出優良的磁致伸縮特性，可用作觸覺傳感器的敏感材料。目前所研制的磁致伸縮觸覺傳感器具有測量精度高、響應速度快等優點，但由于磁敏材料體積以及提供偏置磁場的線圈或者永磁體位置的限制，仍存在傳感器結構體積較大，傳感單元之間磁場相互干擾等問題。
受動物毛發感覺系統的觸覺機理啟發，河北工業大學的科研人員用Galfenol細絲代替毛發，設計并制作了一種仿生磁致伸縮觸覺傳感單元，結構如圖1所示。
將天然毛發感覺系統的觸感功能視為探測和處理過程（見圖1a），采用Galfenol細絲代替毛發以接受壓力信號，將放入基底中的霍爾元件、永磁體構成的電磁檢測系統等效為機械感受器，如圖1b所示。處于磁場中的磁敏材料接觸物體時受到擠壓變形從而導致周圍磁場發生變化，電磁檢測系統通過實時測量磁場大小，將磁信號轉化為電信號輸出。
圖1 仿生磁致伸縮傳感單元結構設計
磁致伸縮傳感單元由Galfenol細絲、永磁體、霍爾元件、剛性基底和觸頭組成，結構如圖1c所示。Galfenol細絲傾斜固定在剛性基底中構成懸臂梁，自由端覆蓋圓形薄觸頭，作為力的傳遞元件使細絲彎曲變形；細絲兩側放置極性相同的永磁體，提供水平方向的偏置磁場；霍爾元件放置在細絲的固定端，與永磁體軸線垂直，檢測磁場的變化。傳感單元的尺寸為12.5mm×5mm×4mm。該磁致伸縮傳感單元結構簡單、體積小、易于集成陣列，具有良好的魯棒性和重復性。
圖2 磁致伸縮傳感陣列制作過程與樣機
研究人員根據電磁學理論建立傳感單元輸出特性模型，根據模型參數對傳感單元進行結構優化以降低空間體積。在COMSOL中搭建傳感陣列模型，分析陣列中磁場干擾對輸出結果的影響。對3×3傳感陣列進行輸出特性測試，并將其裝載于機械手上進行抓取實驗。在H=1.6kA/m的偏置磁場下，傳感單元在0～3N作用力下傳感陣列輸出電壓呈線性變化，靈敏度為14.52mV/N，響應時間為30ms；在2N作用力下傳感陣列的輸出電壓均值為96.94mV，靈敏度為48.47mV/N。
研究人員指出，該傳感陣列具有體積小、靈敏度高和易于制作的特點。將傳感陣列樣機裝載于機械手上抓取目標物體，可以實現對機械手抓握物體時接觸力的精確感知。
以上研究成果發表在2021年第12期《電工技術學報》，論文標題為“仿生磁致伸縮觸覺傳感陣列設計與輸出特性”，作者為劉莎莎、王博文 等。
