王中林院士团队AM：自供能仿生胡须，机器人的新一套环境识别系统

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2021年5月24日 11:00

动物具有多种感官用来感知外部环境，例如视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等，这些感官协调工作使得他们能够应对复杂的环境。当前的机器人主要依靠摄像机和图像识别技术来获取环境信息。但是，随着计算机、微电子学和信息处理技术的飞速发展，人们对机器人在不确定和复杂环境下的适应能力提出了新的要求。因此，寻求可以互补的环境识别策略对于扩展智能机器人的应用领域和适应性至关重要。自然界给我们提供了灵感，有许多生活在黑暗、狭窄、浑浊等极端环境中的生物。他们可以利用触觉感知所处的环境，识别和捕获猎物。这些生物都使用结构相似的传感器（有明显的触杆或突起）来感知环境，例如鱼类的侧线以及鳍足类和啮齿类动物的胡须。它们可以通过感知触杆的应变来接收外部流体信号或触碰信号。触须探测器已经发明了很多年，主要用于水下无人机来营救、检测污染物和探索浑浊的水环境。传统的触须探测器主要基于压阻、压电、光学和磁性原理。这些传感器有其自身的缺点，如，非工作状态下的能量消耗，重量大，易受干扰，成本高且难以小型化、阵列和封装，这阻碍了该技术在机器人领域的广泛应用。

作为一种新的机电转换技术，摩擦纳米发电机（TENG）由于其对机械刺激的高灵敏性，不仅可以用于能量收集，而且可以作为出色的自供能机电传感器。目前已经报道了很多基于TENG的传感器的相关工作，但是，缺乏合适的数据采集电路以匹配TENG的电容性内抗，这限制了TENG传感器的可商用性。除此之外，大多数触觉技术的发展主要集中在电子皮肤上，而电子皮肤存在易污染、易破损和易干扰的缺点。

因此，发展灵敏度高，成本低，易于阵列化集成化的自供能触觉感受器及采集系统对机器人触觉技术的发展具有重要意义。

鉴于此，王中林院士团队创造性地设计了由仿生胡须机械感受器（biomimetic whisker mechanoreceptor，BWMR）该传感器基于接触起电及静电感应原理，能够将外部机械刺激转换为电信号，根据传感器输出电信号的波形即可判断胡须的摆动状态，从而获取外部环境信息。通过胡须对信号的放大做用，传感器能够感知1.129uN的微弱激励，与电子皮肤相比，有效地提高了传感器寿命、稳定性和抗干扰性能，由于传感器自供能，易于制造、成本低、灵敏度高的优点，可有利于在机器人上阵列化装配，不会给系统造成能量负担。

在此基础上，作者还设计了基于静电计原理的信号采集电路，解决了现有采集电路与TENG内阻不匹配导致信号失真的问题。并且构建了触觉传感系统并展示了多种在机器人技术和工业种的应用。该研究以题为“Biomimetic Hairy Whiskers for Robotic Skin Tactility”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

图1. 仿生胡须机械感受器的仿生结构，原理及概念应用。a）啮齿动物触觉系统的示意图，以及胡须机械感受器的解剖示意图。b）BWMR器件结构图。c）BWMR用于机器人对遮挡物的检测、信息交互和环境识别。d）BWMR工作原理图。e）人造胡须系统：由BWMR阵列、电荷采集电路、MCU和无线发射电路组成。

图2. 外部激励下的电学表征。a）对BWMR施加向前和向后激励的示意图。b）当胡须正向和反向滑过刻度尺的两个循环中，开路电压及其对应的微分信号。c）不同扫描速度下开路电压幅值的变化。红色和蓝色点分别表示正向和反向扫描过程中的电压幅值。d）以不同扫描速度下，BWMR产生的电压波形。以及根据波峰数得出的e）位移和f）实时速度。g）以相同速度扫过不同密度的刻度时产生的电压波形以及根据波峰数得出的h）位移，及i）实时速度。

图3. 外部激励下BWMR的响应特性。a）给BWMR施加激励的示意图。胡须长度为L，接触长度为D。b）最大施加压力与L和D之间的关系。L越短和D越长，产生的施加压力就越大。c）当给胡须施加周期性压力时，BWMR的实时开路电压。施加压力的变化由商用的压力传感器同步获取，传感器分辨率为0.1 mN。d）BWMR和商用压力传感器之间灵敏度的比较。e）对于不同的L下，VOC与压力之间的线性关系。f）VOC与胡须尖端位移的关系。g–i）BWMR对微弱的环境扰动（如雨滴（g），微风（h）和昆虫爬行（i））的响应。

图4. BWMR在机器人技术中用于环境和障碍物识别以及物体表面形貌扫描的应用展示。a）配备有BWMR触觉系统的自动驾驶小车（AGV）的照片。b）静电计采集电路及自动控制系统的示意图。c）简单的避障控制策略和轨迹，d）自动控制程序，以及e）在自动避障过程中静电计采集电路获取的传感器的信号。f）机器人汽车扫描物体表面轮廓的照片，g）获取的表面形貌数据，h）以及经过伪Wigner-Ville变换后的信号。

图5. BWMR在机器人技术中用于震动监测和路面状况感知的应用演示。a）配备BWMR触觉系统的四足机器人的照片。b）当施加不同频率的振动时，BWMR采集到的电压信号的频谱图。c）蜘蛛通过脚上的震动探测器捕获猎物的示意图。d）仿生机器人感知物体靠近的照片，以及e）BWMR实时获取的信号。f）蜘蛛通过感知脚下的压力防止衰落的照片。g）仿生机器人感知其自身步态和路面状况的照片，以及h）机器人行走时实时获取的信号。

图6. BWMR在工业领域中用于设备参数的指示和远程监控。a）机电指示器用于速度、压力和位移远程监控和直接显示的示意图。b）BWMR作为指针的机电仪表用于远程获取其旋转角度的示意图。信号经过滤波及微分后，通过对峰值计数从而得到稳定的旋转角度。c）当指针以不同的速度旋转以及在两个刻度之间振动时，BWMR仪表的产生的开路电压及微分信号。正峰值和负峰值分别是顺时针和逆时针旋转产生的。由于电压信号会存在基线漂移和信号波动，但经过微分处理后，信号稳定性会大幅度提高，具有更高的抗干扰能力。d）利用多个BWMR指针提高了分辨率的示意图。e）指针1，指针2和两者并连后的VOC信号。利用两个BWMR指针可使峰值密度加倍。f）根据两个并联胡须产生的信号峰值数量得出的指针位置，以及与真实值的比较。

作者提出了一种易于制造、灵敏度高、可靠性好且自供电仿生胡须传感器，并且开发了基于静电计原理的信号采集电路，构建了用于机器人环境识别的触觉系统和工业应用的机电指示系统。展示了在该系统在机器人领域用于环境识别，物体轮廓扫描，周围物体和地面环境监测以及自身步态分析。以及用于机电指示器，在工业设备中用于参数指示和传感。由于BWM具有多样的用途望被开发成多功能的扰动探测器阵列，可广泛用于环境监测，工业设备参数指示及传感，以及机器人触觉导航、猎物跟踪和危险规避。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202101891

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