具备多维力感知功能的软体电子皮肤对于人机交互和机器人灵巧操作具有关键意义。然而，现阶段的软体多维力传感器通常受限于复杂的耦合机理和有限的力感知方向，难以在实际的可穿戴器件和机器人系统中实现集成应用。因此，如何设计可同时感知全向剪切力和正压力的软体三维力传感器并集成于电子皮肤系统应用，仍然是亟待解决的重要挑战。 |
针对上述挑战，我们提出了一种基于水凝胶的同时感知全向剪切力和正压力的软体三维力传感器的设计方法，实现了高精度的三维力感知，并进一步开展了软体三维力传感器在可穿戴式人机交互接口等领域的应用验证。该论文以“Hierarchically-Interlocked, Three-Axis Soft Iontronic Sensor for Omnidirectional Shear and Normal Forces”为题发表于Advanced Materials Technologies期刊（见文末论文链接）。
传感器设计方法
本工作提出的软体三维力传感器构建了由多个基于离子水凝胶的超高电容单元组成的传感阵列，建立了各单元电容值的相对差异与不同方向力的映射关系。各电极的排列方式将决定单元电容值的相对变化趋势。传统的电极排布方式普遍采用对称式结构，沿水平面内正交方向（X轴或Y轴）施加的剪切力将引起所有单元电容值发生变化，耦合机制相对复杂。如图1所示，我们提出的非对称式电容阵列结构可以将X轴或Y轴的剪切力与单一单元电容值建立直接的映射关系，从而显著简化了信号解耦过程。此外，我们还提出了榫卯结构启发的层间互锁设计方法，该方法有利于提升器件的结构稳定性和层间定位精度。
图1 软体三维力传感器设计机理
三维力传感性能
通过标准化三维测试平台标定，表明该传感器实现了高精度的三维力感知（图2），可检测的剪切力方向角覆盖从0度至360度，剪切力大小RMSE~0.06N，剪切力方向角RMSE~4.22度，正压力大小RMSE~0.24N。此外，性能表征测试还表明该传感器具有快速响应时间（64ms），剪切力的最小检测极限为0.1N。
图2 传感性能表征
可穿戴与机器人电子皮肤应用
我们提出的软体三维力传感器由离子水凝胶、硅胶和导电织布组成，具有柔顺、易贴附的优异特性。如图3所示，该三维力传感器可贴附于受试者手背，作为感知功能元件接入可穿戴系统。受试者可以通过对三维力传感器施加不同方向和大小的力，从而远程操纵鼠标指针或完成交互式游戏。该三维力传感器还可与机器人抓手集成，为抓手保持物体抓握状态提供实时三维力反馈。
图3 三维力传感电子皮肤应用验证
视频1 三维力传感电子皮肤-鼠标控制
三维传感阵列应用
在软体三维力传感单元的基础上，我们进一步将其扩展为2x2的三维力传感阵列。相较于单个传感单元，传感阵列可以提供更丰富的反映多点连续变化的感知信息。如图4所示，当笔刷在传感阵列表面沿不同方向轻拂时，多个传感单元的传感信号可用于展现外界刺激力的大小、方向及其随时间的连续变化情况。结合多路复用硬件测量系统和特征提取算法，该三维传感阵列还可实现书写实时识别功能，具有较高的在线识别准确率。
图4 三维力传感阵列应用验证
视频2 三维力传感阵列应用-书写识别
总结与展望
本工作提出了一种可同时感知全向剪切力和正压力的软体三维力传感器的设计方法。利用非对称式电极排列方式简化了三维力的解耦过程，通过榫卯结构启发的层间互锁设计增强了器件的结构稳定性，该传感器展现了高精度的传感性能，并可实际应用于可穿戴电子皮肤系统，有望为下一代智能传感与人机交互设备探索新路径。
上海交通大学博士生沈泽群为论文的第一作者，上海交通大学谷国迎教授为论文的通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、上海市科委、机械系统与振动国家重点实验室项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202401626 (点击“阅读原文”在线访问)
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招聘信息
上海交通大学机器人研究所软体机器人学与仿生设计课题组（Soft Robotics and Biodesign Lab）诚聘“软体机器人、机器人仿生设计与系统控制、软物质材料作动与传感、智能可穿戴系统”等方向博士后。
合作导师
谷国迎，上海交通大学教授、博士生导师。主要从事机器人学与软体机器人技术方向的研究。近年来，主持承担了国家杰出青年基金／优秀青年基金、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点研发计划、上海市基础研究重点等科研项目十余项，在Science Robotics, Nature Biomedical Engineering, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Communications, Science Advances, IEEE Trans. Robotics, Advanced Materials, Soft Robotics等期刊发表录用论文百余篇，研究成果获教育部自然科学一等奖、上海市自然科学一等奖等。担任Soft Robotics、IEEE Trans. Robotics等期刊副主编、中国机械工程学会机器人分会副总干事、上海市机器人学会秘书长等。
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