中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
柔性應(yīng)變傳感器對(duì)實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)感知和自主巡航至關(guān)重要。然而，軟體機(jī)器人在復(fù)雜動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境中的連續(xù)變形對(duì)應(yīng)變傳感器的按需制造和長(zhǎng)期穩(wěn)健性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。這需要精確的傳感器建模以及傳感器力-電耦合結(jié)構(gòu)的可控制造。近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)楊海濤教授在國(guó)際知名期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Computational design of ultra-robust strain sensors for soft robot perception and autonomy”的研究論文，解決了軟體機(jī)器人傳感器的建模和穩(wěn)定性難題。
軟體機(jī)器人具有靈活的身體變形和出色的運(yùn)動(dòng)敏捷性，為其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的動(dòng)態(tài)任務(wù)提供了靈活、安全的交互。為了使軟體機(jī)器人能夠智能地和環(huán)境交互，需要在機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)中集成柔性應(yīng)變傳感器。它可以實(shí)時(shí)感知各種環(huán)境刺激，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)和周圍環(huán)境的靈敏感知，為機(jī)器人自主巡航奠定基礎(chǔ)。然而，機(jī)器人的高自由度連續(xù)體變形和多模態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，為了滿足具有不同運(yùn)動(dòng)行為或身體尺寸的軟體機(jī)器人的差異化感知需求，亟需實(shí)現(xiàn)傳感器性能的按需設(shè)計(jì)（靈敏度和線性工作窗口）。而這通常需要探索不同的設(shè)計(jì)原理和多次試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)耗力，效率低下。
另一方面，在當(dāng)前軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展中，傳感器的穩(wěn)健性問(wèn)題日益受到重視。當(dāng)前的柔性應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試往往局限于單調(diào)和重復(fù)的條件，無(wú)法復(fù)現(xiàn)軟體機(jī)器人的真實(shí)復(fù)雜的工作環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中，軟體機(jī)器人需要在多變且嘈雜的環(huán)境中運(yùn)作，常面臨著外力干擾和意外變形。這要求軟體機(jī)器人的傳感系統(tǒng)即使在間歇性工作和變頻操作下也能保持穩(wěn)定。然而，大部分傳感器在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中易受到材料或結(jié)構(gòu)破壞的影響，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)失真和反饋能力下降。因此，開(kāi)發(fā)能在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持高度魯棒性的傳感器，是推進(jìn)軟體機(jī)器人技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的重要一環(huán)。
在此，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)楊海濤教授解決了軟體機(jī)器人傳感器的建模和穩(wěn)定性難題。通過(guò)精準(zhǔn)的激光加工技術(shù)和定制化的微裂紋紋理，實(shí)現(xiàn)了傳感器特性的精確控制和建模。借助有限元分析模型，實(shí)現(xiàn)了傳感器在復(fù)雜力學(xué)負(fù)載下響應(yīng)曲線的模擬，確保了在極端條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。特別的，這些傳感器在面對(duì)高達(dá)50%應(yīng)變、10萬(wàn)次循環(huán)負(fù)載以及0-23 Hz的動(dòng)態(tài)頻率變化時(shí)，展現(xiàn)出了優(yōu)異的魯棒性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種傳感系統(tǒng)被成功集成于軟體機(jī)器人中，實(shí)現(xiàn)了精確的軌跡追蹤（機(jī)器人軌跡預(yù)測(cè)誤差<4%）和環(huán)境感知（地形高度感知誤差<10%），顯著提升了機(jī)器人的自主巡航能力。
此項(xiàng)成果標(biāo)志著軟體機(jī)器人技術(shù)在本體感知和自主決策領(lǐng)域邁出了重要一步。這項(xiàng)技術(shù)不僅為軟體機(jī)器人在未知環(huán)境中的應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑，也為實(shí)現(xiàn)更高層次的機(jī)器人協(xié)同工作和群體智能提供了強(qiáng)有力的支持，展望未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)集成多傳感器的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，軟體機(jī)器人的能力和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的拓展。
本研究得到中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目支持。
