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“智能泡沫”成机器人皮肤新材料:能感知你的手,坏了还会自我修复

2021-07-12 16:33:00

7 月 12 日消息,近日,据路透社报道,新加坡研究人员开发了一种智能泡沫材料(smart foam material),可以让机器人感知附近的物体,并在损坏时自我修复,就像人类皮肤一样。

这种智能泡沫被称为 AiFoam(Artificially innervated foam),是一种高弹性聚合物(elastic polymer),由含氟聚合物(fluoropolymer)与降低表面张力的化合物(compound that lowers surface tension)混合而成。新加坡国立大学的研究人员称,这使得 AiFoam 在受到切割时很容易融合成一块(自我修复)。

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▲ AiFoam

该研究论文题目为《人工神经支配的自愈泡沫作为合成压电阻抗传感器皮肤(Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins)》,该研究成果已于 2020 年 11 月在 Nature Communications 杂志上发表。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19531-0

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一、智能泡沫材料制作步骤多,调配困难

智能泡沫这种新材料虽然功能很强大,但制作起来可是相当有困难。不信你看着步骤:

1. 需要将含氟表面活性剂 (Zonyl FS-300) 放在 70 °C 的烘箱中干燥。

2. 将两克聚(偏二氟乙烯)-共六氟丙烯(PVDF-HFP)(3M)溶解在丙酮中并搅拌至少 4 小时。

3. 向溶液中加入 1.7ml 含氟表面活性剂并搅拌 24 小时。

4. 将 46 微升 1,3-二氨基丙烷 (DAP) 滴加到搅拌溶液中,在反应 30 分钟后,溶液将变成淡黄色。

5. 将 μNi 微粒添加到溶液中,并使用 SpeedMixer (FlackTek) 在 2500 rpm 下将溶液混合 2.5 分钟。

6. 将混合物浇铸到 2.5×5×0.2cm 的玻璃模具(宽 × 长 × 高)中。

7. 然后将材料置于加热板上,在 70°C 下加热 30 分钟,通过蒸发丙酮来自发泡。

8. 为了交联聚合物,将材料加热至 120 °C 并保持 30 分钟。

通过加热搅拌再加热的复杂程序,智能泡沫就做好了,制作方法是真的很困难呢!

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▲ 制作 AiFoam

二、被破坏后能自愈合,还能被拉伸近两倍

受人类体感神经支配结构(architecture of the human somatosensory innervations)的启发,团队提出了一种新结构,该结构使用三维金属线电极(three-dimensional (3D) metal wire electrodes)作为“神经”,嵌入到低模量(low-modulus)的自愈泡沫中。与其他基于泡沫的传感器相比,团队合成的自修复泡沫材料仅有 600kpa 的低模量(低模量的拉伸模量 MPa≤0.4 或≤0.6),并且具有弹性,可为接触力传感器提供恢复力。

据研究人员介绍,“在四天内将其加热至 70 摄氏度,该材料愈合了大约 70%,并且仍可以拉伸到其长度的几乎两倍(180%)。”

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▲ AiFoam 能够自愈合

三、模拟“人类的触觉”,使得互动更加智能

为了复制人类的触觉,研究人员在这种材料中注入了微小的金属颗粒,并在泡沫表面下方添加了微小的电极。当施加压力时,金属颗粒在聚合物基体中靠拢,改变了它们的电性能(electrical properties)。新加坡国立大学的 Benjamin C.K. Tee 教授表示,这些变化可以通过计算机的电极检测到,然后发出指令告诉机器人该做什么。

“当我将手指移到传感器附近时,您可以看到传感器正在测量我的电场变化,并对我的触摸做出相应的响应,”他说。此功能使机器人的“手”不仅可以检测到力的大小,还可以检测到受力方向,从而可能使机器人更加智能和互动。

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▲ 测试 AiFoam 的“触觉”

四、团队希望该材料在五年内投入使用

Benjamin C.K. Tee 表示,AiFoam 是同类产品中第一个将自愈特性(self-healing properties)、近距离感应(proximity)和压力(pressure)感应相结合的产品。经过两年多的开发,他和他的团队希望这种材料能在五年内投入实际使用。

据了解,团队希望将 AiFoam 应用于机器人和假肢等领域,以实现人机之间更多交互的可能性。

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▲ 使用 AiFoam 的机器人手臂

结语:AiFoam 为机器人的智能化和互动性提供了更多可能

AiFoam 通过模拟人类的触觉实现了对周围环境的高感知,而材料特有的自我修复特性以及对接触力的敏感性,将使机器人能更好地判断人类的意图。

使用该材料研发的新一代的机器人,将有可能对环境变化做出更快速、更有效的反应。

目前,科学家研究的机器人皮肤主要分为两个方向。一个方向是外观,将机器人皮肤创作的近似人类皮肤,例如柔性弹性水凝胶的应用,使得机器人的皮肤能够在受到压力下出现淤青。另一方面是感知能力,例如 AiFoam 的材料,能够赋予机器人的“触觉”,从而让他们能更智能的互动。


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