中國科大提出基于裂紋磁阻調制的柔性電感式傳感新機理
中國科學技術大學工程科學學院、人形機器人研究院王洪波研究員課題組聯(lián)合韓國浦項科技大學材料科學與工程系Unyong Jeong教授團隊和中國科學技術大學張世武教授、馮志華教授，提出了一種基于磁性薄膜貫穿裂紋的新一代電感式雙向曲率柔性傳感器，其能夠檢測0.01°的微小彎曲變形，并在汽車多次碾壓和破損等情況下保持性能不變，為真實世界中的機器人精準感知開辟了新路徑。成果以“Magnetic crack-based piezoinductive mechanical sensors: way to extreme robustness and ultra-sensitivity”為題發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。
面向機器人在復雜場景作業(yè)的觸覺感知需求，柔性傳感器需要滿足高靈敏度、寬檢測范圍、高速響應，并同時具備良好的機械耐久性、長期穩(wěn)定性（無疲勞或性能退化）以及制造一致性。近年來，柔性傳感器領域的研究發(fā)展非常迅速，但研制同時滿足上述要求的柔性傳感器仍然是一大挑戰(zhàn)。
圖1.磁裂紋電感傳感器（MC-PIS）的工作機理及其獨特性
基于“磁場可以穿過空氣間隙”這一物理基礎，研究團隊創(chuàng)造性地提出一種基于貫穿裂紋磁阻調制的新興敏感機理，實現(xiàn)磁性裂紋電感傳感器(MC-PIS)的機器人感知新路徑（圖1）。將商用鐵氧體薄膜卷繞在圓柱棒上即可形成隨機分布的貫穿裂紋。該磁性裂紋薄膜的磁阻隨著裂紋間隙而變化，當薄膜受壓應力時磁阻減小，受拉應力時磁阻增大。通過將一個柔性平面線圈貼在裂紋鐵氧體薄膜的下方即可檢測其在變形下的微小磁阻變化，實現(xiàn)雙向彎曲傳感。該電感式柔性雙向彎曲傳感器可在-200°至327°的范圍內檢測低至0.01°的微小彎曲變形，并具有響應速度快、無遲滯、長期穩(wěn)定性高，制造一致性好等特性。
圖2.基于MC-PIS的柔性帶實時形狀監(jiān)測
為了驗證該傳感器在真實世界場景下準確感知微小變形的能力，研究團隊設計了基于16個MC-PIS單元的自感知柔性帶（圖2）。無需任何數(shù)據(jù)收集訓練或者復雜算法，基于簡單的分段等曲率模型，該柔性帶的形狀可由MC-PIS傳感器數(shù)據(jù)實時準確重建出來。該實驗展現(xiàn)了其在軟體連續(xù)體機器人或醫(yī)療導管的形狀感知等領域的應用潛力。
圖3.MC-PIS在軟體機器人方面的應用
由于MC-PIS具有極高的分辨率和穩(wěn)定性，集成該傳感器的仿生柔性手指能夠實現(xiàn)非常細膩的觸覺感知。該仿生手指滑過透明膠帶的表面時可感知膠帶的形狀并識別“端頭”的位置，與桌面接觸時能夠檢測音樂引起的微小振動并準確區(qū)分不同的音調（圖3）。此外，MC-PIS還可為柔性夾爪提供多模態(tài)觸覺感知，賦能機器人自主植樹的多個作業(yè)任務。在整個機器人植樹過程中，兩個MC-PIS傳感器為各操作任務提供了實時的觸覺信號。即使在反復接觸并摩擦土壤和石塊后，傳感器始終未出現(xiàn)輸出漂移或性能退化，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性與可靠性。（圖3c）
工程科學學院精密機械與精密儀器系博士生彭玉連、王正巖，特任副研究員吳后平為論文第一作者。工程科學學院、人形機器人研究院王洪波研究員，韓國浦項科技大學Unyong Jeong教授為論文通訊作者。論文的合作者還包括中國科學技術大學工程科學學院張世武教授，馮志華教授等。該項研究工作得到了國家自然科學基金項目、中國科學院引才計劃青年項目和中國科學技術大學高層次人才引進計劃的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61784-0
（工程科學學院、人形機器人研究院、科研部）
本文鏈接：http://knowith.com/news-1-11985.html中國科大提出基于裂紋磁阻調制的柔性電感式傳感新機理
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