柔性自驅(qū)動(dòng)離電皮膚——引領(lǐng)水下無(wú)人感知新時(shí)代

摘 要：針對(duì)電子式觸覺傳感器水下應(yīng)用易進(jìn)水短路失效的問(wèn)題，提出了一種基于固-液界面動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生離子電流原理的觸覺傳感器。該傳感器的信號(hào)隨接觸面積、物體到電極末端距離、溫度的增加而增加，靈敏度分別為0.026 V/mm2、"0.12 V/mm和0.04 V/℃，導(dǎo)體產(chǎn)生的信號(hào)幅值約為絕緣體的4倍。該傳感器尤其適合安裝在水下機(jī)械手上，用于在視覺受限條件下抓取目標(biāo)物。

關(guān)鍵詞：電子式觸覺傳感器；固-液界面動(dòng)態(tài)變化；離子電流原理；自驅(qū)動(dòng)

1 作品介紹

為了解決傳統(tǒng)電子式觸覺傳感器水下應(yīng)用易進(jìn)水短路失效的問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于固-液界面動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生離子電流原理的觸覺傳感器。本傳感器直接利用海水這種天然電解質(zhì)接觸電極形成雙電層，利用目標(biāo)物接觸電極將固-液界面變成固-固界面過(guò)程產(chǎn)生的雙電層電流，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)接觸判定，可檢測(cè)多個(gè)物理量，包括接觸壓力、接觸面積、接觸位置、物體溫度和材質(zhì)。該產(chǎn)品尤其適合安裝在水下機(jī)械手上，用于在視覺受限條件下抓取目標(biāo)物。

2 技術(shù)原理

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的傳感器，其電極與水體的兩相界面間會(huì)形成雙電層（EDL）。在穩(wěn)定狀態(tài)下，在ITO電極-流體界面處會(huì)形成EDL。當(dāng)絕緣物體接觸電極時(shí)，物體與電極之間的空隙中的水會(huì)被排出，電極表面的鈉離子和水分子會(huì)被去除，檢測(cè)電極上誘導(dǎo)的電子被釋放進(jìn)而產(chǎn)生電壓信號(hào)。

在導(dǎo)電金屬與電極接觸的過(guò)程中，在導(dǎo)電金屬表面同樣也會(huì)形成EDL。但是由于導(dǎo)電金屬內(nèi)部存在著大量的自由電子，電極與導(dǎo)電金屬之間會(huì)發(fā)生電荷的傳導(dǎo)與感應(yīng)，所轉(zhuǎn)移電荷量即脈沖信號(hào)幅值大于絕緣體接觸時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)幅值。據(jù)此原理，可以實(shí)現(xiàn)水下物體的觸壓感知與物體材質(zhì)判別。

對(duì)傳感器的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置包括一個(gè)測(cè)力計(jì)、按壓桿、培養(yǎng)皿和信號(hào)采集設(shè)備。將傳感器置于培養(yǎng)皿內(nèi)，培養(yǎng)皿內(nèi)充滿3.5%NaCl溶液，用以模擬海水環(huán)境。分別測(cè)試物體接觸面積、按壓壓力、接觸位置、物體材質(zhì)、物體溫度對(duì)傳感器信號(hào)幅值的影響。結(jié)果表明，傳感器性能表現(xiàn)良好，符合預(yù)期要求。

使用本文所提出的傳感器，設(shè)計(jì)了一種水下機(jī)械手智能抓取系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。該抓取系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下未知物體的材質(zhì)和溫度進(jìn)行判別，以及對(duì)金屬材料或高溫物體進(jìn)行抓取。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

（1）水下觸覺傳感器自驅(qū)動(dòng)

不同于其他傳感器需要避免接觸海水，本產(chǎn)品可以直接利用海水這種天然電解質(zhì)接觸電極形成雙電層，利用目標(biāo)物接觸電極將固-液界面變成固-固界面過(guò)程中產(chǎn)生的雙電層電流，實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)接觸判定。

（2）水下多物理量檢測(cè)

所提出的觸覺傳感器可檢測(cè)多個(gè)物理量，包括接觸壓力、接觸面積、接觸位置、物體溫度和材質(zhì)。

（3）裝置小型化

由于產(chǎn)生的離子電流較小（納安量級(jí)），傳統(tǒng)方法均需使用高精度檢測(cè)儀器，如皮安表。本項(xiàng)目提出采用雙電極（工作電極和參考電極）配合差分放大電路，可有效消除系統(tǒng)中的公共噪音，顯著提高信噪比。此外，通過(guò)串聯(lián)電阻，可將納安量級(jí)的電流信號(hào)變成毫伏量級(jí)的電壓信號(hào)，無(wú)需使用大體積的高精度儀器。