一种新型的柔性压力/温度多功能阵列触觉传感器研究

本项目在完成了"一种新型的柔性阵列触觉传感器的研究"的基础上，综合应用材料科学、纳米技术、传感技术和人工智能等学科领域的理论与技术，进一步研究一种具有整体柔性化且能同时感知三维力和温度信息的新型压力/温度多功能阵列触觉传感器。通过对基于纳米碳管的新型柔性压力敏感导电橡胶和基于导电纤维的新型柔性温度敏感导电橡胶的研究，探索导电填料并用及原材料组分和配比对压力/温度敏感导电橡胶的导电机理和敏感特性的影响机制、纳米改性材料对敏感材料的改性机理。解决新型压力/温度敏感导电橡胶所具有的敏感特性之间交叉干扰本质问题，并深入研究新型柔性多功能阵列触觉传感器的阵列结构、多敏感特征信息的解耦和智能化处理模型，构造基于新型压力和温度敏感导电橡胶的多功能类皮肤阵列触觉传感器实验系统。研究成果可为仿人和服务机器人提供更先进的触觉传感技术，在体育训练、康复医疗、人体建模与仿真和生物力学等诸多领域均具有重要科学意义。

本项目研究是在已完成的国家自然科学基金“一种新型的柔性阵列触觉传感器的研究”的基础上，针对当前机器人领域特别是仿生和服务机器人对多敏感信息检测的需求，综合运用材料科学、仪器科学和信息科学等学科理论知识，进一步研究了一种具有整体柔性且能同时感知三维力和温度信息的新型压力/温度多功能阵列触觉传感器。 . 对新型压力敏感碳纳米管/硅橡胶复合材料和温度敏感导电纤维/硅橡胶复合材料进行研究，分别建立和验证了柔性压力和温度敏感导电橡胶的计算模型。结合复合导电材料的隧道效应和渗流效应等导电机理，以及压力作用下的体积压缩效应和温度作用下的体积膨胀效应，探索导电填料的选取、配比、改性和并用以及材料制备方法与工艺对复合材料导电机理的影响，解决了压力和温度检测中存在的交叉干扰的本质问题，为研究具有整体柔性的新型压力/温度多功能触觉传感器阵列提供良好的敏感材料。. 研究了具有整体柔性的新型压力/温度多功能触觉传感器阵列，分别对单层三维力/温度复合阵列、双层网状三维力阵列、以及立体N型微结构阵列的结构设计进行了建模、仿真与实验，针对阵列中的多敏感特征信息的特点解决了不同敏感功能的传感单元结构设计、传感器阵列设计等关键问题，设计了获取多传感器信息的阵列信号处理电路和数据采集系统。针对多功能传感器阵列中的多维力信息和温度场信息变量间的耦合问题，研究多敏感特征信息的智能化提取方法，运用同伦－牛顿算法、神经网络算法等对传感信息进行解耦，验证了算法的有效性和计算效率，较好地满足多功能触觉传感器阵列信息对实时性与准确性的要求。设计并研制了新型柔性压力/温度多功能阵列触觉传感器实验系统和标定装置，通过对三维力和温度的标定实验验证了柔性压力/温度多功能阵列触觉传感器对三维力和温度多功能复合感知信息的准确性。. 本项目研究为进一步研究和推广机器人用新型柔性触觉传感器奠定了良好的基础，研究成果可为仿生和服务机器人等领域提供更先进的多功能触觉传感技术，在智能机器人、康复医疗和生物力学等诸多柔性触觉检测领域均具有重要科学意义。本项目已培养了4名博士研究生和14名硕士研究生，在国内外学术期刊和会议上已发表论文42篇（其中30篇被SCI、EI等检索），申请相关发明专利8项（其中2项已授权），并建立起一支在传感技术领域中具有坚实基础和创新特色的研究团队。