仿表皮结构的石墨烯架构用于机器人领域的高性能压阻传感

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Epidermis-mimetic graphene architectures for high-performance piezoresistive sensing in robotics

　　

摘要

宏观尺度的表面拓扑结构为提升触觉传感性能提供了一种超越材料优化的方法。在本研究中，将一种涂有石墨烯的网状织物嵌入到Ecoflex\(^{\text {TM}}\)弹性体中，并将其设计成平面和波浪形几何结构，具有两种不同的波纹频率（Wavy f0.1和Wavy f0.2）。有限元仿真表明，这种波浪形表面结构能够将压缩力转化为波峰处的局部拉伸热点，从而实现早期应变放大，这一现象与拉伸诱导的阻力增强机制一致。实验结果显示，Wavy f0.2将可检测的压力阈值降低到了0.19 kPa，并且具有最高的低压响应灵敏度，其灵敏度为\(6.84\times 10^{-2}\ \textrm{kPa}^{-1}\)（0.19–9.5 kPa），分别是平面结构（\(3.3\times 10^{-3}\ \textrm{kPa}^{-1}\)，1.9–47.5 kPa）和Wavyf0.1（\(7.9\times 10^{-3}\ \textrm{kPa}^{-1}\)，1.9–19 kPa）传感器的20.7倍和8.7倍。此外，该材料还表现出快速响应能力（30毫秒内响应，50毫秒内恢复），稳定的循环操作性能（在9.5 kPa压力下3000次循环后的峰峰值变化仅为8%），以及显著的波峰伪影抑制效果。然而，灵敏度与适用压力范围之间存在权衡：Wavy f0.2在接近19.0 kPa时灵敏度达到饱和，而Wavy f0.1的适用压力范围更广，为1.9–57.0 kPa。最后，将Wavy f0.2集成到机器人夹具中后，实现了在2–6 kPa压力下对脆弱水果（如覆盆子、蓝莓、葡萄）的轻柔抓取，验证了其在高压环境下的高分辨率操控能力，从而避免了果实损伤。这些研究结果表明，波纹频率是一个可调节的设计参数，可用于平衡宏观结构纺织触觉传感器的灵敏度和适用压力范围。