最近，EMPA（瑞士聯邦材料科學與技術研究所）高性能陶瓷實驗室的研究人員開發了基于陶瓷顆粒的柔性只能傳感器材料。這種材料有望用來制造能夠感知溫度或觸感的機器人。

Empa的研究人員展示基于陶瓷顆粒的柔性傳感材料

傳感器可以“感知”溫度、應變、壓力或濕度，它們應用廣泛，在越來越多的領域發揮重要作用。EMPA研究員，也是項目負責人Frank Clemens 表示，“當今的機器人笨重且非常強大。它們對人類來說可能是危險的——如果你不小心碰到了另一個人，你會自動躲開，將來我們要越來越多地與機器人共享工作場所，它們應該對觸摸做出快速而敏感的反應。” Clemens表示，醫學領域也需要軟傳感器——該團隊最近與 IDUN Technologies 公司完成了一個 Innosuisse 項目，在該項目中他們生產了用于腦電波測量的柔性電極。

團隊負責人Empa研究員Frank Clemens

制備方法

陶瓷顆粒的選擇很復雜，功能性配方體系中包含鈮酸鉀鈉和氧化鋅等材料，還使用碳顆粒。Clemens說，“我們采用熱塑性塑料制成的基質，并在其中填充盡可能多的陶瓷顆粒，而不會影響基質的彈性。”如果這種高度填充的基質隨后被拉伸、壓縮或暴露于溫度波動中，陶瓷顆粒之間的距離就會發生變化，傳感器的電導率也會隨之變化。利用3D 打印，研究人員還可以將陶瓷傳感器作為一種“神經”嵌入到柔性組件中。

應用與完善

該研究小組成功地生產出了僅對壓力或溫度做出非常選擇性反應的軟傳感器。研究人員將這些傳感器集成到假手中，不僅能“感知”手指的彎曲，并且能“感知”接觸熱的表面——這種“敏感性”對于機器人抓取工具和人體假肢來說都是一個優勢。團隊還更進一步開發了一種柔軟的“機器人皮膚”，并與劍橋大學的研究人員一起開發了一個AI模型，并使用來自約4500次測量的數據對其進行訓練。在他們最近的項目中，研究人員能夠將陶瓷傳感器與人造肌肉結合起來。他們與蘇黎世聯邦理工學院和東京大學的研究人員一起開發了一種生物混合機器人，可以借助柔軟的、生物相容性的、組織集成的壓阻傳感器來識別其收縮狀態。

這項工作還遠未結束：研究人員希望使他們的軟陶瓷傳感器更加靈敏和智能。這涉及將新型陶瓷材料和軟聚合物相結合并優化其傳感器性能。成功的秘訣在于這兩個組成部分的相互作用。

編譯整理 YUXI