近日，大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院宋永欣教授團(tuán)隊(duì)在深海柔性觸覺感知領(lǐng)域取得研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Self‐Powered Underwater Pressing and Position Sensing and Autonomous Object Grasping with a Porous Thermoplastic Polyurethane Film Sensor”和“Multi-Hierarchically Porous SWNTs-TPU/C-WPU Composite Film for Underwater Self-Powered Multi-Modal Tactile Information Sensing”為題連續(xù)發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（影響因子19），該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

觸覺感知能力是水下機(jī)器人通過機(jī)械手開展精細(xì)化和交互式作業(yè)的關(guān)鍵部件，柔性觸覺傳感器可以隨機(jī)械手靈活彎曲，和剛性機(jī)械手構(gòu)成“剛?cè)岵?jì)”的類人結(jié)構(gòu)，因此能夠“類人化”感知目標(biāo)物的表面紋理、模量、形狀等多維物理信息，從而在復(fù)雜水下環(huán)境中如輔助機(jī)器人完成抓取、識(shí)別、操控等任務(wù)，顯著提升其自主性與操作精度。當(dāng)前深海柔性觸覺傳感器大都采用封裝的方式，用于實(shí)現(xiàn)水密封，但高靜水壓力會(huì)使密封后的柔性材料變硬，從而變硬而失效。因此，亟需通過原理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，推動(dòng)深海觸覺感知技術(shù)的發(fā)展。

針對(duì)耐高靜水壓力問題，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了仿生式靜壓自平衡學(xué)術(shù)思路，開發(fā)了一種基于多孔熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）薄膜，并且將薄膜與海水直接接觸，變“密封”為“開式”，多孔結(jié)構(gòu)使海水能夠自由滲透進(jìn)薄膜內(nèi)部，薄膜內(nèi)外壓強(qiáng)相同從而本質(zhì)實(shí)現(xiàn)了靜壓自平衡。此外，利用觸壓驅(qū)動(dòng)海水中離子在多孔薄膜中的定向移動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)，傳感單元無需通電，實(shí)現(xiàn)了自驅(qū)動(dòng)感知。作為典型應(yīng)用展示，該團(tuán)隊(duì)將該多孔TPU傳感器集成至三指機(jī)械手指中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同重量物體的自主抓取。

為進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度和多模態(tài)信息感知能力，研究團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)了一種基于多層復(fù)合薄膜的水下觸壓傳感器(Advanced Functional Materials, 2025, e09538)，僅通過一次觸摸便能實(shí)現(xiàn)物體電導(dǎo)率、硬度、接觸壓力和位置等多模態(tài)信息的獲取。該傳感器通過單壁碳納米管摻雜熱塑性聚氨酯（SWNTs-TPU）薄膜區(qū)分物體導(dǎo)電性，利用含羧基多孔水性聚氨酯（C-WPU）薄膜受壓產(chǎn)生離子電流，同步感知接觸壓力和位置以及物體的硬度。該傳感器靈敏度為1.2 kPa-1，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為150和530 ms，壓力檢測(cè)范圍45-625 kPa，在100米水深下信號(hào)僅衰減10.54%。該傳感器即使在含油、沉積物以及化學(xué)污染的海水中，傳感器仍可穩(wěn)定輸出信號(hào)。此外，將該傳感器安裝在遙控水下機(jī)器人（ROV）機(jī)械手上，成功實(shí)現(xiàn)了水下物體材質(zhì)和硬度的可靠識(shí)別。

來源：技術(shù)前沿