柔性應(yīng)變傳感器對實現(xiàn)軟體機(jī)器人運(yùn)動感知和自主巡航至關(guān)重要。然而，軟體機(jī)器人在復(fù)雜動態(tài)的工作環(huán)境中的連續(xù)變形對應(yīng)變傳感器的按需制造和長期穩(wěn)健性帶來了挑戰(zhàn)。這需要精確的傳感器建模以及傳感器力-電耦合結(jié)構(gòu)的可控制造。

該論文介紹了一種計算機(jī)輔助的傳感器設(shè)計。研究人員采用環(huán)境穩(wěn)定的單壁碳納米管（SWNT）來制備應(yīng)變傳感器。通過激光輔助方法，精確制造傳感器的微納結(jié)構(gòu)紋理，顯示出高度可控的微裂紋生長行為和靈活可調(diào)的傳感器特性。通過輸入包括裂紋密度和微納褶皺特征在內(nèi)的傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立相應(yīng)的有限元分析（FEA）模型，模擬力-電雙物理場演變，高精度地預(yù)測了不同傳感器的傳感曲線。實驗結(jié)果表明，基于可控的裂紋生長和微納褶皺特征，實現(xiàn)了傳感器的良好穩(wěn)健性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了軟體機(jī)器人的自主感知和巡航系統(tǒng)。

研究背景和主要成果

軟體機(jī)器人具有靈活的身體變形和出色的運(yùn)動敏捷性，為其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的動態(tài)任務(wù)提供了靈活、安全的交互。為了使軟體機(jī)器人能夠智能地和環(huán)境交互，需要在機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)中集成柔性應(yīng)變傳感器。它可以實時感知各種環(huán)境刺激，實現(xiàn)機(jī)器人本體運(yùn)動和周圍環(huán)境的靈敏感知，為機(jī)器人自主巡航奠定基礎(chǔ)。然而，機(jī)器人的高自由度連續(xù)體變形和多模態(tài)運(yùn)動對應(yīng)變傳感器的設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，為了滿足具有不同運(yùn)動行為或身體尺寸的軟體機(jī)器人的差異化感知需求，亟需實現(xiàn)傳感器性能的按需設(shè)計（靈敏度和線性工作窗口）。而這通常需要探索不同的設(shè)計原理和多次試錯實驗，耗時耗力，效率低下。另一種方法是開發(fā)傳感器建模工具，利用數(shù)理統(tǒng)計或物理模擬，根據(jù)器件組成和形態(tài)對傳感器特性進(jìn)行模擬和優(yōu)化。然而，這種方法面臨著傳統(tǒng)柔性應(yīng)變傳感器無法準(zhǔn)確預(yù)測其結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的挑戰(zhàn)。

另一方面，在當(dāng)前軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展中，傳感器的穩(wěn)健性問題日益受到重視。當(dāng)前的柔性應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性測試往往局限于單調(diào)和重復(fù)的條件，無法復(fù)現(xiàn)軟體機(jī)器人的真實復(fù)雜的工作環(huán)境。在實際應(yīng)用中，軟體機(jī)器人需要在多變且嘈雜的環(huán)境中運(yùn)作，常面臨著外力干擾和意外變形。這要求軟體機(jī)器人的傳感系統(tǒng)即使在間歇性工作和變頻操作下也能保持穩(wěn)定。然而，大部分傳感器在動態(tài)監(jiān)測中易受到材料或結(jié)構(gòu)破壞的影響，進(jìn)而導(dǎo)致信號失真和反饋能力下降。因此，開發(fā)能在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中保持高度魯棒性的傳感器，是推進(jìn)軟體機(jī)器人技術(shù)在實際應(yīng)用的重要一環(huán)。

在此，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊楊海濤教授和新加坡國立大學(xué)Ho Ghim Wei教授團(tuán)隊解決了軟體機(jī)器人傳感器的建模和穩(wěn)定性難題。通過精準(zhǔn)的激光加工技術(shù)和定制化的微裂紋紋理，實現(xiàn)了傳感器特性的精確控制和建模。借助有限元分析模型，實現(xiàn)了傳感器在復(fù)雜力學(xué)負(fù)載下響應(yīng)曲線的模擬，確保了在條件下的長期穩(wěn)定性。特別的，這些傳感器在面對高達(dá)50%應(yīng)變、10萬次循環(huán)負(fù)載以及0-23 Hz的動態(tài)頻率變化時，展現(xiàn)出了優(yōu)異的魯棒性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種傳感系統(tǒng)被成功集成于軟體機(jī)器人中，實現(xiàn)了精確的軌跡追蹤（機(jī)器人軌跡預(yù)測誤差<4%）和環(huán)境感知（地形高度感知誤差<10%），顯著提升了機(jī)器人的自主巡航能力。此項成果標(biāo)志著軟體機(jī)器人技術(shù)在本體感知和自主決策領(lǐng)域邁出了重要一步。

總結(jié)：本研究成功研發(fā)出了一種計算機(jī)輔助設(shè)計的應(yīng)變傳感器，利用褶皺內(nèi)裂紋編程陣列，實現(xiàn)了傳感器的高度定制和超穩(wěn)定性。這種PCAM傳感器通過控制裂紋密度和收縮率等參數(shù)，精確調(diào)節(jié)其靈敏度和工作范圍，并利用有限元工具進(jìn)行高精度傳感建模。該傳感器在各種復(fù)雜條件下展現(xiàn)出的魯棒性，適用于各規(guī)模的軟體機(jī)器人，增強(qiáng)了機(jī)器人的感知和智能巡航能力。此外，通過將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法集成到傳感器增強(qiáng)的折紙機(jī)器人中，實現(xiàn)了機(jī)器人的高精度軌跡預(yù)測和環(huán)境感知，能夠有效執(zhí)行從密閉空間操作到遠(yuǎn)程控制等多樣化任務(wù)。這項技術(shù)不僅為軟體機(jī)器人在未知環(huán)境中的應(yīng)用開辟了新路徑，也為實現(xiàn)更高層次的機(jī)器人協(xié)同工作和群體智能提供了強(qiáng)有力的支持，展望未來，通過進(jìn)一步開發(fā)集成多傳感器的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，軟體機(jī)器人的能力和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的拓展。