水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第5期
水下感知及目标识别
基于液态金属型摩擦纳米发电的水下仿生触须传感器
署名作者：
李原正1, 王天润1, 关堂镇2, 徐鹏1, 王昊1, 徐敏义1*
作者单位：
1. 大连海事大学轮机工程学院 大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室, 辽宁 大连, 116026
2. 中国科学院理化技术研究所 低温科学与技术重点实验室, 北京, 100190
基金项目：
基础科研项目(JCKY2022410C011).
摘要
为了提升水下机器人的机动性和适应性, 增强其感知周围环境的能力是必要的。受动物触须的毛囊结构启发, 文中将液态金属与摩擦纳米发电机相结合, 提出了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(LTWS), 在浑浊度高、视距低的水下环境中作为水下机器人光学与声学感知技术的补充, 提升水下机器人的信息感知能力。LTWS主要由碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元及基座组成, 碳纤维触须的细微偏转会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。LTWS的感知信号与触须横向位移呈线性关系, 灵敏度可达7.9 mV/mm, 且触碰频率对输出信号的影响较小。LTWS丰富了水下机器人的感知手段, 为实现海洋信息感知提供了新的思路。
引言
目前的水下感知方式十分多元化[1], 水下触觉作为水下光学[2]以及水下声呐探测[3]等感知方式的补充, 可以丰富水下机器人的环境感知维度, 提升水下机器人的环境感知能力, 从而获取海洋多模态信息。触觉传感器在水下机器人海洋探索任务中愈发体现出无可替代的作用, 尤其是在浑浊度高、视距低[4-5]且水流噪声大[6]的水体环境中, 通过在水下机器人上安装触觉传感器, 可以实现对海洋环境的多模态信息采集[7], 包括物体的形状、硬度、粘度和纹理等特征信息, 以及液体中的压力、流速和流向等流体信息。这对于深海勘探和环境监测具有重要意义, 可以为海洋科学研究提供更加准确的数据支撑。
水下触觉大体上可以分为2类: 直接接触式的水下触觉[8]和非直接接触式的水下触觉[9-11]。其中, 直接接触式的水下触觉利用机械方式直接接触水下目标, 来获取目标的形态、质感和温度等信息, 如海獭通过掌心接触来感知环境信息; 而非直接接触式的水下触觉则利用非机械方式, 比如感知水的压力变化、流速变化以及涡流场的强弱变化等非直接接触目标的方式, 来获取目标的形态和运动轨迹等信息, 如鱼类通过侧线感知水的流速和压力、海豹通过胡须感知涡流等。现有的水下触觉传感器大都模仿了生物的结构和功能[12-14]。传感器的制作离不开材料, 材料性能直接关系到传感器的技术水平, 是传感器发展的根基, 由新型材料制作的传感器在稳定性和输出信号上都更胜一筹[15]。研究人员正在开发更灵活、适应性更强的材料和结构, 以模仿水下生物体的触觉感知能力。材料和结构的优化可以更好地适应复杂的水下环境, 并实现更高的灵敏度和精确性。基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电技术[16-18], 具有结构简单、易于制造和自驱动等优点, 可广泛应用于自驱动触觉感知领域。此外, 液态金属[19-20]具有优异的导电性、柔性、流动性以及电极自修复特性, 使得液态金属成为制备柔性摩擦电传感器件的常用材料之一。因此可以将摩擦纳米发电机的特性与海洋生物感知器官的结构相结合, 设计新型的水下仿生触觉传感器[21-23], 提升水下机器人的感知空间维度, 解决恶劣海洋环境下的水下信息感知问题。
文中设计了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(liquid metal-based triboelectric whisker sensor, LTWS), 旨在为水下机器人提供触觉感知反馈, 识别其周围的环境信息。液态金属的引入使得LTWS更加灵敏, 输出信号更加稳定。LTWS的主要部件包括碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元和基座等, 碳纤维触须的任何细微偏转都将会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。传感单元主要由水凝胶和液态金属2种介电材料组成。当LTWS受到外界载荷时, 2种介电材料发生接触和分离, 由于摩擦起电和静电效应会产生电荷转移, 使各个传感单元产生相应的电信号。基于传感单元的多通道电信号, LTWS能够估计周围流场信息, 增强水下机器人的水下环境感知能力。
结束语
受动物触须毛囊结构的启发, 以摩擦纳米发电机传感技术为基础, 引入具有高导电性、流动性和电极自修复特性的液态金属用作摩擦层与电极层, 创新性地提出了基于液态金属的摩擦电仿生触须传感器, 经过实验验证与数据分析, 该传感器可实现对触觉信息的高灵敏度感知, 验证了LTWS的触觉感知能力。得到结论如下:
1) LTWS对于触须触碰偏移幅度变化的感知精度较高, 甚至可以感知微小偏移幅度的信息, 例如, 传感单元对10 mm触碰偏移幅度的输出电压展现出对微小障碍物信息的感知能力;
2) 触须触碰频率对LTWS的输出电压与转移电荷量的影响较小, 原因是随着接触频率的增大, 硅胶与液态金属的有效接触面积、接触分离程度几乎保持不变。但是触碰频率的增加会导致电子转移速率的增加, 因此电流信号会相应的增大。
需要指出的是, 目前柔性摩擦纳米发电机尚处于实验室研究阶段。后续应对LTWS从材料、结构、电路管理、触碰方向和触碰高度等影响输出特性进行系统地提升, 同时对于LTWS在真实海洋环境条件下的耐用性和适用性进行深入且大量的研究。综上, 柔性、低成本且感知精度较高的水下触觉传感器为实现海洋分布式传感器网络的自驱动提供了新的思路。
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END
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第5期，点击阅读原文可查看。
