磁致伸縮觸覺傳感器研究進展

劉錦鋒，盧全國，王紅州，黃永東，李志豪，鄒曉輝，占曉煌

（1 江西省精密驅動與控制重點實驗室 江西 南昌 330099）

（2 江西省機械科學研究所 江西 南昌 330095）

0 引言

觸覺感知作為人與外界信息交互的最基本功能之一，同樣也是機器人實現與外部環境感知的重要功能之一[1]。為了機器能夠實現更加精細和復雜的操作，觸覺傳感器廣泛應用于服務機器人、遠程醫療器械、精密機械、空間遙控機械臂等，通過更全面的環境因素識別和力反饋來完成智能識別、靈巧操作、精確定位、穩定抓取等[2]。

傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。磁致伸縮材料是一種在磁場作用下發生形變、在應力作用下磁感應強度發生變化的智能材料，被列為美國磁學與磁性材料會議（MMM）和IEEE 國際磁學會議（Intermag）等國際大型會議的專題之一[3]。磁致伸縮觸覺傳感器原理是當外界條件引起磁致伸縮敏感元件發生形變時，根據磁致伸縮逆效應，其周圍磁場會發生相應的變化，此時轉換元件能將這一變化轉換成對應電信號輸出；能用于觸覺力、力矩的識別、物體形狀識別、表面粗糙度識別等。近年來，因其高效的磁機轉換效率和快速響應能力，而受到廣泛國內外研究人員的關注，在磁致伸縮材料和傳感器的優化上不斷取得新的成果[4-6]。

1 基于Galfenol的觸覺傳感器

自從Galfenol 問世，因其具有良好的機械性能又有較大的磁致伸縮率,相比于傳統的稀土材料Terfenol-D，Galfenol 便于加工，有更高的抗拉強度，并具有環境適應性強、經濟實用等特點，使得其在智能器件上得到非常廣泛的應用[7]。

1.1 晶須類觸覺傳感器

2012年，馬里蘭大學的Michael[8]受動物觸須啟發，提出了一種基于Galfenol 的晶須觸覺傳感器，將Galfenol“晶須”懸臂在鋁基中，永磁鐵提供偏置磁場，巨磁阻（GMR）傳感器作為轉換元件同樣也固定在鋁基上，用以檢測晶須可能被各種外部刺激彎曲引起的磁場變化，如圖1所示。

圖1 Galfenol 晶須觸覺傳感器

2018年，趙冉等[9-10]采用霍爾元件作為轉換元件，使用Galfenol 薄片懸臂梁和Galfenol 薄片加鈹青銅復合懸臂梁的兩種方式，實現了傳感器的雙向觸覺感知，并測試了基于懸臂梁的磁致伸縮仿生晶須傳感器的靜態和動態靈敏度，靜態下達到了2.20 mV/mN，動態時，在（0.5～60）Hz不同頻率下，靈敏度峰值在40 Hz 時達到了4.5 mV/mN。

1.2 手指類觸覺傳感器

2017年，河北工業大學王博文團隊[11]應用Galfenol材料設計、制作了一種可用于機器人指尖對觸覺力測量的新型壓力傳感器，該傳感器接觸壓力與電壓信號、電壓峰值呈線性關系，且測量電路簡單、精度高。

結合仿生學原理，當手指與物體接觸時，皮下感受器將產生動作電位。2018年，王博文等[12]成功制作了一種應用在機械手用于紋理探測的觸覺傳感器，如圖2。選用牛仔布、尼龍絲帶、薄紗、紗布和粗布作為測試對象，實驗結果表明該傳感器能分辨出主觀感受：粗糙－光滑、稀疏－細密屬性。

圖2 用于機械手的紋理探測傳感器

2019年，王麗麗等[13-14]在此基礎上進行改進，將剛性觸頭改成探針觸頭，用采用霍爾傳感器代替檢測線圈作為轉換元件，并建立了紋理觸覺傳感器輸出模型；同樣選取上述5 種材料利用直流電機和傳送帶實現往復運動進行測試，實驗表明該傳感器在上述基礎上穩定性較好，靈敏度更高，達到了97.31 mV/mm。

1.3 陣列類觸覺傳感器

早在2006年，Hale,K.等[15]在探索Galfenol 作為磁致伸縮材料的用途時就提出，是否可以將Galfenol 用在二維的網格陣列的磁路中當作形成觸覺傳感器，通過實驗發現雖然在3×3 網格陣列效果不是很有說服力，但在2×2 網格陣列正確識別了4 根桿中的3 根，證明這一想法的可行性。

隨著對觸覺傳感器的不斷探索，陣列式的磁致伸縮觸覺傳感器被提出[16]，觸覺傳感單元的靈敏度能達到151 mV/N，能對物體剛度進行感知。通過建立理論的摩擦系數檢測模型和實驗分析，成功地檢測出所抓取的物體的表面靜摩擦系數[17]；后續還對抓取的不同物品進行了識別，通過輸出電壓的差別，在特定條件下應用支持向量機算法對所抓取的物體進行識別，識別率達到了87.5%[18]。

受動物毛發啟發，翁玲、劉莎莎等[19-21]將Galfenol細絲傾斜放置以模擬動物毛發形態，先后分別設計了2×3，3×3 的傳感器陣列，仿照動物的皮膚，使用柔性印刷電路板，如圖3所示，使得傳感器不僅能更好地貼附在機械手上，在抓取物體時也能更靈活，可以有效采集應力信息。在2×3 的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列的實驗中對不同剛度的圓柱體和橡膠進行了識別與測試，與理論值最大誤差為5.1%。在3×3 的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列的實驗中可以簡單區分不同剛度和形狀的樣品。傳感器輸出穩定，標準差為1.64 mV。該傳感器可應用于機械手上，實現對圓形類目標物觸覺力的精確感知。

圖3 柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列

2 其他類型磁致伸縮觸覺傳感器

2.1 復合新型材料觸覺傳感器

2014年，Chang[22]提出了在硅襯底上制造具有嵌入金屬的聚合物結構的新工藝方案，實施了由聚合物結構和嵌入式3D Ni 線圈繞組組成的觸覺傳感器設計，如圖4所示。由于聚合物振膜在觸覺力的作用下發生變形，3D Ni 線圈電感器的磁致伸縮效應會引起磁導率的變化，通過電感變化檢測磁導率變化以及觸覺力。通過實驗測量表明，在0～1 N 的感應范圍內，靈敏度約為1.33%/N，最后作者還提出了可將該工藝進一步擴展為將不同3D 結構嵌入不同材料（如環氧樹脂、玻璃），為后續研究提供了一個新的方向。

圖4 嵌入式3D Ni 線圈觸覺傳感器

對于生物醫學應用，用作傳感器或執行器的智能材料必須符合一些標準，特別是生物相容性和柔軟性[23]。Gildas Diguet[24]通過將磁性顆粒添加到可壓縮泡沫聚合物中來產生對壓縮的敏感性。泡沫基復合材料的制造具有小泊松比，可實現高達50%的壓縮，這種壓縮會引起其磁場的變化。這可以使用線圈進行檢測，通過將傳感線圈設置為3 個×3 的緊湊陣列，傳感器成功地檢測并定位了施加的變形。磁層的厚度為3 mm，線圈的高度為2 mm，直徑為6 mm。傳感器輕便，易于制造，可以方便地用于機器人科學中的觸覺感應。

2.2 基于微米、納米技術的觸覺傳感器

2016年，Chang 等[25]進一步研究，使用臺積電0.18 μm IP6M 工藝制造了一種能用于觸覺力感知的無線磁致伸縮型壓力傳感器，并通過實驗展示了傳感器的無線傳感能力。其基本結構采用CMOS 工藝的金屬層和介電層分別形成磁線圈和傳感膜片，附加的磁致伸縮CoFeB 薄膜通過特殊的濺射方法沉積和圖案化，無線感應可通過外部讀取線圈獲得，基本原理如圖5所示。

圖5 無線磁致伸縮觸覺傳感器原理

2017年，Jung Jin Park[26]證明了由磁致伸縮納米線Fe-Ga/Cu NWs 和GMR 傳感器組成的傳感器的壓力傳感能力。通過將垂直排列的多層Fe-Ga/Cu NWs 陣列壓在GMR 傳感器面上，接觸壓力的變化會導致NWs 的偏轉發生變化，根據逆磁致伸縮效應，周圍磁場會發生變化，使得GMR 電路的電阻會發生變化，傳感器靈敏度的估計值為1～4 mΩ/kPa?；贕MR 傳感器的小型化，當一側尺寸小于40 μm 時，將可能達到人類指尖的空間分辨率。

3 現有問題與未來展望

3.1 現有問題

本文介紹了磁致伸縮觸覺傳感器近年來的一些研究進展，涉及基于Galfenol 的各種類型觸覺傳感器、新材料和新工藝的磁致伸縮觸覺傳感器的發展，以及其優勢所在。根據現階段的磁致伸縮觸覺傳感器的發展，還存在以下擬解決的問題：

（1）磁滯問題

鐵磁材料普遍存在磁滯特性，在磁致伸縮觸覺傳感器中可能會存在磁滯非線性現象，導致正、反行程存在誤差。為解決磁滯問題可以選取線性段較好的區間作為傳感器工作范圍，不過這樣會導致傳感器測量范圍變??；另一種方式是建立相應的磁滯模型，在數據處理時進行在線補償，這種方法對傳感器數據處理能力要求較高。

（2）抗干擾

由于磁致伸縮觸覺傳感器工作原理，傳感器對外界的磁場非常敏感，所以針對磁致伸縮觸覺傳感器的使用環境，需要著重考慮是否有額外的磁場干擾。針對這一問題，可以考慮在傳感器制作時添加隔磁材料，或者添加特殊的導磁材料以增加傳感器的抗干擾能力。

3.2 未來展望

傳感器作為智能化與外界信息交互的硬件基礎，對于磁致伸縮觸覺傳感器，為了能更好地應用于機器人、生物醫療、智能穿戴等領域，可以從以下幾個方面展開深入研究：

（1）微型化以及陣列化設計。將傳感器微型化，在同樣體積下能實現更多數量、更密集的傳感器陣列，從而能實現更細微的測量，做到全方位、多觸點對目標物體進行識別；

（2）柔性化。對不規則的物體進行識別，將磁致伸縮觸覺傳感器實現柔性化是趨勢所在，能更方便和更高效的實現全方位觸覺感知；

（3）復合型新材料，將磁致伸縮材料與其他材料結合或利用現階段不斷發展的工藝和光刻技術生成復合型新材料，使傳感器機械性能或靈敏度得到優化，后續可以從傳感器的多功能性、靈敏度、微型化、高穩定、低遲滯性、全柔性和微型化等方面開展，應用復合型新材料為實現傳感器的創新與發展提供方向。