柔性觸覺傳感器，柔性觸覺傳感器可以隨機械手靈活彎曲，和剛性機械手構(gòu)成“剛?cè)岵钡念惾私Y(jié)構(gòu)，因此能夠“類人化”感知目標物的形狀、表面紋理和模量等多維物理信息，是水下機器人通過機械手開展精細化和交互式作業(yè)的關(guān)鍵部件。當前柔性觸覺傳感器大都采用封裝的方式，用于防止內(nèi)部傳感部件與外界海水相通，這導致高靜水壓力會使柔性材料變硬，從而降低傳感器的靈敏度甚至失效。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，推動高靈敏度深海觸覺感知技術(shù)的發(fā)展。
近期，大連海事大學宋永欣教授團隊在《Small》期刊發(fā)表了題為：“TPU/MOFs Electrospun Composite Film for Underwater Tactile Sensing and Finger Joint Bending Monitoring”的研究文章，該文章針對持續(xù)提高課題組先前開發(fā)的多孔薄膜靜壓平衡式水下觸覺傳感器靈敏度和可拉伸性問題需求，通過添加MOFs來引入-COOH官能團和使用靜電紡絲工藝來增加薄膜的孔隙率等方式，使傳感器的靈敏度和可拉伸性能得到顯著提升。在此基礎(chǔ)上，成功將TPU/MOFs傳感器應(yīng)用于水下手指彎曲角度監(jiān)測和被抓物體形狀識別，為水下觸覺感知和機器人抓取作業(yè)提供了新思路。該工作得到了國家自然科學基金項目支持。
為提升薄膜的孔隙率，該工作使用靜電紡絲工藝制備了TPU/MOFs薄膜，添加的具有高比表面積和納米孔徑（4.8-7.4?）的MOFs-801粉末，不僅進一步提高了TPU/MOFs薄膜的孔隙率，而且引入的-COOH基團顯著提升了傳感器的靈敏度。采用氮氣吸附結(jié)合Barrett-Joyner-Halenda（BJH）模型以及Harkins-Jura厚度模型對TPU/MOFs膜的孔徑分布進行了分析，結(jié)果表明多孔TPU/MOFs膜中介孔分布較為均勻，吸附和脫附過程中的平均孔徑分別為11.8nm和9.14nm，說明介孔與部分大孔共存。此外，還存在少量孔徑約為220nm的大孔，這種多層次的多孔結(jié)構(gòu)有利于增大不同電性離子濃度差，從而提升傳感靈敏度。
圖1. TPU/MOFs薄膜制備及表征過程。(a) TPU/MOFs薄膜制備過程；(b) 靜電紡絲孔結(jié)構(gòu)SEM表征；(c) TPU ECF和TPU/MOFs ECF的FTIR光譜；(d) BJH方法計算的孔徑分布
該工作系統(tǒng)性研究了TPU/MOFs薄膜自身因素，如MOFs-801濃度和孔隙率對傳感器性能的影響。研究結(jié)果表明，傳感器信號幅值隨MOFs-801濃度和孔隙率的增加而增大，與 TPU ECF 相比，含有10 wt.%、20 wt.%和30 wt.% MOFs-801薄膜的信號幅值分別增加了79.46%、111.54%和167.74%。此外，傳感器信號幅值隨按壓面積的增大而增大，信號的方向和幅值取決于按壓或拉伸位置，據(jù)此特性可確定觸壓位置。此外，傳感器還表現(xiàn)出較好的抗疲勞性，在 600 kPa 的外部載荷下，經(jīng)過1400多次循環(huán)后傳感器仍能正常工作。
圖2 (a) 溶劑澆筑顆粒浸出法和靜電紡絲工藝制備的薄膜；TPU/MOFs 傳感器性能與 (b) 按壓力度、(c) 按壓位置、(d) 孔隙率、(e) MOFs-801濃度的關(guān)系；(f) 傳感器耐久性測試
本工作還研究了離子濃度、水流流速、傳感器浸泡時間和靜水壓對TPU/MOFs傳感器性能的影響。實驗結(jié)果表明：隨著NaCl溶液濃度的增加，電流幅值先增大后減。坏珎鞲衅骰静皇芩饔绊，在175 kPa時僅有約2.75%的偏差；未更換電極而浸泡4個月的傳感器電流幅值下降了8.2%，這表明性能衰減主要來源于銅電極的氧化（5.6%），而MOFs-801水解的影響相對較小。當水深從0m增加到100m時，信號幅值僅下降約10.38%；傳感器的信號幅值先隨拉伸長度的增加而增大，繼續(xù)增大拉伸長度，信號幅值不再增加。
圖3 TPU/MOFs復合薄膜傳感器性能與 (a)溶液離子濃度、(b) 水流流速、(c) 浸泡時間、 (d-f) 靜水壓大的關(guān)系。
作者利用該信號的幅值和方向與薄膜拉伸位置和拉伸長度相關(guān)的特性，將其安裝在機械手指上，用于手指彎曲角度監(jiān)測和被抓物體形狀識別。作者首先將手指彎曲角度與彎曲產(chǎn)生的幅值進行標定，之后在抓取過程中，根據(jù)手指彎曲產(chǎn)生的電信號幅值反推出彎曲角度，通過構(gòu)造橫縱輪廓線，分析其曲率并擬合出物體的曲面，從而完成手指彎曲角度監(jiān)測和形狀識別，并演示了OK手勢、抓取球體和圓柱體。
圖4. 水下手指彎曲角度監(jiān)測及形狀識別
論文信息：TPU/MOFs Electrospun Composite Film for Underwater Tactile Sensing and Finger Joint Bending Monitoring, Small, 2025, e10062.
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202510062
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