清華新聞網7月11日電 柔性微型機器人在體積、重量上都遠小于傳統的剛性機器人，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機器人對外界環境的觸覺感知，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，提出了一種基于摩擦納米發電機（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電機進行信號輸出，反映感受器與外界環境的接觸狀態以及接觸物的材料屬性。執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

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（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。

論文鏈接：

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