基于陶瓷颗粒的传感器材料，可用于软体机器人皮肤
对于大多数人而言，“陶瓷”这个词往往与咖啡杯、瓷砖或花盆联系在一起。然而，在瑞士联邦材料科学与技术研究院（EMPA）高性能陶瓷实验室负责人Frank Clemens眼中，陶瓷是一种具有导电性能和智能潜力的材料，甚至可以像人类皮肤一样具备感知能力。
根据麦姆斯咨询的报道，Clemens及其团队近期开发出一种基于陶瓷颗粒的柔性传感器材料。这种材料能够感知温度、应变、压力和湿度等多种外部刺激，因此在医学和软体机器人领域展现出广泛的应用前景。相关研究成果以“Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”为题，发表于《先进智能系统》（Advanced Intelligent Systems）期刊。
在构建生物混合机器人的过程中，研究团队开发了一种嵌入式机械传感器，该传感器基于压阻复合材料，被设计成硅橡胶绝缘纤维的形式。这种材料具备优异的传感性能，具有良好的可集成性，同时在生物组织中具有生物相容性，便于在细胞培养环境中操作。
当传感器与生物驱动器结合后，能够检测由电刺激引发的微小运动，并且不受外部电场的干扰。更重要的是，该传感器输出的信号可用于调节肌肉电刺激装置的脉冲强度。
所谓软体陶瓷，指的是通过将陶瓷颗粒嵌入可拉伸聚合物中所形成的复合材料。材料科学家通常将陶瓷定义为一种通过烧结高温工艺由颗粒组成、无机且非金属的材料。
在Clemens的实验室中，研究重点并不在于传统陶瓷，而是围绕如铌酸钾钠（KNN）和氧化锌等材料展开。此外，碳颗粒也被用于研究。这些材料本身并不柔软，因此通过将其嵌入弹性塑料基体中，研究人员成功开发出具有柔韧性的陶瓷传感器。
Clemens提到，研究团队专注于高填充系统，即在确保基体保持弹性的前提下，尽可能多地嵌入陶瓷颗粒。当这种复合材料受到拉伸、压缩或温度变化的影响时，陶瓷颗粒之间的间距会发生变化，从而导致材料电导率的变化。
值得一提的是，这种传感器并不需要将整个基体填满陶瓷颗粒。借助3D打印技术，研究人员还能将传感器像神经一样嵌入到柔性组件中。
为了实现智能响应和选择性传感，研究人员面临一定的挑战。软体陶瓷传感器通常会对温度、应变和湿度等多种刺激同时响应。Clemens指出，实际应用中需要明确目标测量参数，以提高传感器的专一性。他的团队已经成功制造出仅对压力或温度反应的传感器。
Frank Clemens及其团队开发的基于陶瓷颗粒的软体智能传感器材料
Christopher Bascucci展示了一种可用于软体陶瓷传感器强化的柔性材料
研究人员将这种传感器集成到假肢手之中，使得该假肢能够感知手指的弯曲动作，并在接触到高温物体时产生反应。这种能力在机器人抓取系统和人类假肢中都具有显著优势。
EMPA团队在柔性“机器人皮肤”开发方面取得了进一步进展。他们设计的多层聚合物传感器能够对触摸和温度变化作出响应，模仿人类皮肤的感知机制。
为处理大量复杂数据，研究团队联合剑桥大学开发了一个人工智能模型，并使用约4500次测量数据对其进行训练。这种方法模拟了人类神经系统中神经信号在大脑中的处理方式。
在近期的研究中，团队成功将柔性陶瓷传感器与人造肌肉结合，与苏黎世联邦理工学院和东京大学合作，开发出一种具备生物相容性的生物混合机器人。该机器人通过集成在组织内的压阻式传感器，能够识别肌肉的收缩状态。
人机协作的安全性是研究的重要目标之一
Clemens表示，未来的目标是实现人机之间的安全协作。他指出，目前的工业机器人通常体积大、力量强，存在一定的安全隐患。如果未来机器人更多地进入人类工作环境，它们必须具备对外界接触的快速而敏感的反应能力。
他进一步解释说：“如果人类在不经意间碰到其他人，通常会迅速收回手，我们希望机器人也能具备类似的反射机制。”
目前，团队正寻求在机器人抓取系统领域与工业伙伴建立合作。此外，该传感器在医学领域同样具有应用前景，例如近期与IDUN Technologies共同完成的瑞士Innosuisse项目中，他们开发了用于脑电波测量的柔性电极。
尽管已取得初步成果，研究仍在持续推进。团队希望进一步提升传感器的灵敏度与智能化水平，这需要结合新型陶瓷材料与柔性聚合物，并优化其性能。成功的关键在于材料之间的协同作用。
延伸阅读：
《机器人传感器技术及市场-2022版》
《传感器技术及市场-2024版》
《触觉技术及市场-2024版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《3D打印材料技术及市场-2022版》
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