密歇根州立大学：研发抗疲劳力致变色水凝胶新型触觉传感器

在现代机器人技术中，如何感知和操控柔软、易碎的物体（如生物组织、易碎食物及柔性电子器件）一直是一个巨大挑战。现有的基于视觉的触觉机器人主要集中在刚性物体的感知与操作，但在应对柔软或脆弱物体时，往往难以实现精确判断与解析。近日，密歇根州立（MSU）林少挺研究团队在《Advanced Materials》上发表了一篇题为《Fatigue-Resistant Mechanoresponsive Color-Changing Hydrogels for Vision-Based Tactile Robots》的文章，创新性地利用了具有优越抗疲劳特性的力致变色水凝胶，设计了一种低成本、寿命长的基于视觉的触觉传感器。该传感器能够将接触表面的应力直接转化为可识别的图像，从而感知材料硬度、物体形状、空间位置及施加的压力。这一突破有望填补机器人触觉感知与人类触觉感知之间的根本差距，推动触觉机器人技术迈向新高度。密歇根州立大学林少挺教授为通讯作者，博士生刘佳斌为文章的第一作者。文章的其他作者包括普渡大学Yu She教授和石溪大学Wei Li教授。

如图一所示，抗疲劳力致变色水凝胶（FMCH）由高缠结的聚合物网络和适量的吸湿盐组成，能够在偏振光下呈现出可逆、稳定且可预测的颜色变化。FMCH展现出优越的机械性能，其拉伸性达到原长的6倍，断裂韧性高达3,000 J/m²，疲劳阈值可达400 J/m²。更为重要的是，它在多达10,000次的循环拉伸下，性能稳定，并且在应变速率范围为0.02 s⁻¹至0.35 s⁻¹的范围内，力致变色性能始终稳定。这种具有优越抗疲劳特性且对应变率不敏感的力致变色软材料，非常适合用于需要长期承受动态负载的触觉传感领域。

图1. 抗疲劳力致变色水凝胶的分子设计

如图二所示，基于力致变色水凝胶的触觉传感器采用反射光弹性原理，通过一种不透明、应变不敏感且对波长不敏感的可拉伸反射膜，进而实现将相机和光源安置在同一侧，从而精准采集接触表面的应力图像。该传感器设计紧凑，尺寸灵活可调，并且能够轻松集成到各种机器人系统中。通过对不同几何形状、机械模量以及放置角度的物体进行压痕测试，传感器采集到的图像能够轻松区分物体的几何形状、空间位置、施加的压力以及材料的软硬度。与ABAQUS仿真结果对比显示，传感器采集的图像无需复杂数据处理，便能反映接触面的应力分布。该触觉传感器不仅结构简单、成本低廉，且采集的图像包含丰富的应力信息。这种基于视觉的触觉传感器，融合了软材料设计、光学系统工程和触觉机器人技术所构建的多学科优势，为突破现有机器人感知与操作能力极限提供了基础工具，是下一代触觉传感器的理想选择。

图2. 抗疲劳力致变色水凝胶的分子设计在触觉机器人领域的应用 软材料领域：这项工作揭示了一种基于理论指导的聚合物分子设计新策略，以协调软材料的机械性能和光学特性。 软体机器人领域：这项工作报告了一种全新的基于视觉的触觉机器人，以填补机器人触觉感知与人类触觉感知之间的关键差距。 触觉感知领域：这项工作提供了一种跨学科的基础工具，有助于为触觉感知的生物学机制提供新的科学见解。

来源：高分子材料科学

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