近年來，各種觸覺傳感器被開發(fā)出來，以復(fù)制指尖的三維（3D）觸覺感知。這些傳感器采用不同的機制來解耦法向力和剪切力，包括電阻變化、電容變化、輸出電壓、磁場、氣壓或光信號。然而，光電或機械解耦的三軸力傳感器所需的復(fù)雜且笨重的結(jié)構(gòu)，阻礙了它們在典型機器人手臂或假肢中的集成。用于檢測滑動或表面紋理的各種傳感方案在識別力的方向方面也面臨挑戰(zhàn)。盡管采用多層壓阻材料和圖案化電極的傳感器在技術(shù)上取得了一定進展，但許多仍然難以準確識別切向力的方向，或僅限于在固定方向上進行測量。在一些集成電極陣列的傳感器中，其在法向和剪切載荷下的變形會在電極上產(chǎn)生不同的輸出信號，從而通過數(shù)學(xué)解耦模型計算三軸力。然而，這些概念驗證演示裝置體積較大，線性度差，靈敏度低或測量范圍窄，使其不適合在微操控器等需要小型化的應(yīng)用場景中使用。復(fù)制高分辨率的多維觸覺，甚至接近人類手指的觸覺，仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)

鑒于此，劍橋大學(xué)Tawfique Hasan & Guolin Yun?團隊，在"Nature Materials"期刊上發(fā)表了題為“Multiscale-structured miniaturized 3D force sensors”的最新論文。作者提出了一種基于石墨烯協(xié)同各向異性多孔導(dǎo)電彈性體（APEs）的多尺度結(jié)構(gòu)力傳感器陣列，以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。作者的復(fù)合材料結(jié)合了一種混合填料，該填料由尖銳的鎳（Ni）顆粒、少層石墨烯（FLG）納米片和液態(tài)金屬（LM）微滴組成，形成了一種固-液混合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其中液態(tài)金屬微滴作為可變形的中心，F(xiàn)LG納米片作為橋梁。這里使用的液態(tài)金屬指的是共晶鎵-銦（EGaIn），它結(jié)合了液體的可變形性和金屬的高導(dǎo)電性。通過在制備過程中引入孔形成劑并在磁場下固化，該復(fù)合材料結(jié)合了互連的微孔結(jié)構(gòu)和各向異性的填料網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了沿對齊方向的高力敏感性。作者進一步模仿人類表皮的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了具有單個傳感單元的金字塔傳感器陣列，單元尺寸小至200微米。金字塔結(jié)構(gòu)的使用使得實現(xiàn)極高的線性靈敏度和廣泛的檢測范圍成為可能。集成到機器人抓手中，作者展示了對力的大小和方向、滑移及粗糙度的高精度實時感知，提供了對觸覺設(shè)備（如假肢和微操縱器）的關(guān)鍵能力，從而推動了機器人在不可預(yù)測或未知環(huán)境中的靈活性。

【文章亮點】

結(jié)構(gòu)設(shè)計：石墨烯-液態(tài)金屬復(fù)合材料制金字塔微陣列（單元200μm），多尺度解耦法向/切向力。

性能突破：500kPa內(nèi)靈敏度110 kPa?1（R2＞0.998），方向偏差＜2°，檢測限0.9μN。

應(yīng)用驗證：機械臂夾爪自適應(yīng)抓取未知物，精準檢測滑動調(diào)力。

【圖文解讀】

圖1 | APE傳感器的多尺度結(jié)構(gòu)。a，示意圖展示了APE的三維組成和微觀結(jié)構(gòu)。b，APE樣品截面的掃描電子顯微鏡（SEM）及能量色散譜（EDS）圖像。鎳（Ni）、氟摻雜石墨烯（FLG）納米片、液態(tài)金屬（LM）液滴和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的分布分別由其特征元素Ni、C、Ga和Si表示。EDS圖像顯示了排列整齊的鎳顆粒鏈。c，示意圖展示了帶有金字塔表面結(jié)構(gòu)的APE三維力傳感陣列，安裝在機器手上。

圖2 | APE的電氣和機械性能。a,b，APE在與對齊方向平行（0°）和垂直（90°）的壓縮應(yīng)變曲線的導(dǎo)電性-壓縮應(yīng)變曲線（a）和應(yīng)力-壓縮應(yīng)變曲線（b）。插圖：基于各向異性填料網(wǎng)絡(luò)定義的0°和90°方向。c，APE和ANPE沿0°方向的導(dǎo)電性-壓力曲線。d，示意圖說明APE在不同方向壓縮時導(dǎo)電性變化的原理。e，有限元模擬比較在513 kPa壓力下APE（左）和ANPE（右）的變形和應(yīng)力分布。f，有限元模擬比較在80 kPa壓力下APE（左）和ANPE（右）的導(dǎo)電性。更大的電位降（紅色）對應(yīng)于更高的電阻率。g，電流密度模擬顯示在壓力下APE中的導(dǎo)電路徑。h，模擬不同壓力下APE和ANPE的導(dǎo)電性。

圖3 | APE金字塔傳感器單元。a，模擬金字塔傳感器單元在垂直壓力下的縱向截面變形和應(yīng)力分布。b,c，曲線顯示在0–30 kPa (b) 和0–500 kPa (c)壓力范圍內(nèi)，APE傳感器單元的導(dǎo)電率相對變化（ΔG/G0）與壓力的關(guān)系。d，模擬傳感單元在斜力作用下的縱向截面變形和應(yīng)力分布。a,b，與傳感器幾何形狀和電極位置相關(guān)的常數(shù)系數(shù)；R1,R2，分別為在傳感器單元底部電極上測得的電阻。e,f，模擬APE傳感器單元在法向力（e）和剪切力（f）作用下的底部壓力分布。g,h，曲線顯示由APE傳感器單元底部的4個電極（U1–U4）測得的電位相對變化（ΔU/U0）與壓力的關(guān)系，在0–1.3 kPa (g) 和0–55 kPa (h)壓力范圍內(nèi)。g中的插圖展示了傳感器單元的示意圖；h中的插圖展示了紅框所框出的數(shù)據(jù)的擴展。Vcc，為公共集電極上的電壓。i，輪廓圖展示了傳感器單元底部第一個電極（U1）測得的電位在12,000個0–1.6 kPa加載周期中的時間變化。插圖：前20個周期的曲線（左）和周期10,001–10,020的曲線（右）。

圖4 | APE傳感器單元的三維力感測。a，斜向力在球坐標系中的分解（左）以及傳感器單元底部四個電極上的不同壓力分布（右）。b，在恒定力大小下，不同力方向下底部電極的模擬相對電勢。c，當剪切力方向固定在20°時，四個底部電極的相對電勢與φ曲線的模擬與實驗結(jié)果比較。數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，來源于n=5個不同傳感器。d，示意圖顯示APE傳感器單元的斜向力測試裝置。e，當力方向固定在φ=18°和θ=40°時，傳感器四個電極的相對電勢變化與力的曲線。插圖：電極的位置。f,g，傳感器針對不同施加力和力角度測得的力（f）和角度（g）比較。數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，來源于n=5個不同測試。f中的綠色陰影區(qū)域相當于x=y線，以顯示測得的力與施加的力之間的偏差。h，示意圖顯示傳感器單元在粗糙表面上的滑動。i，傳感器單元在砂紙上滑動時第一個電極的電勢-時間曲線。j，傳感器在不同基材上滑動時電壓的瞬時變化及隨后的波動。

圖5 | APE傳感器陣列的演示。a，示意圖顯示了焊接在PCB上的APE力傳感器陣列。b，示意圖說明了與APE傳感器陣列集成的操控器抓取紙管的過程。c，傳感器在抓取紙管時檢測到的法向力和切向力隨時間變化的曲線（分別為FN–t和FS–t）。右側(cè)的照片展示了紙管在被夾持（t1）和提升（t2）時的狀態(tài)。插圖：法向力FN和切向力FS的定義。d，示意圖顯示操控器抓取鋼塊的過程。e，傳感器陣列在轉(zhuǎn)移鋼塊時檢測到的法向力和切向力隨時間變化的曲線（底部）以及力方向隨時間變化的曲線（φ–t，頂部）。f，鋼塊滑動（t1）、夾持（t2）和放置在地面（t3）時的照片及測量到的力。g，APE微傳感器陣列的照片（左）及掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（中和右）。SEM圖像中的白色區(qū)域是由于PDMS基體上的電荷所致。h，示意圖顯示了粘附在帶有圖案電極的玻璃晶片上的APE微傳感器陣列（左）以及與金屬球接觸的四個微傳感器單元底部的測量壓力分布（右）。i–k，測量到的不同直徑（D）金球和銦球產(chǎn)生的平均法向力（i）、力方向（j）和剪切力方向（k）。數(shù)據(jù)以均值±標準差（n=5，來源于不同的傳感器陣列）呈現(xiàn)。插圖：法向力FN和球坐標中力方向角φ和θ的定義。

【結(jié)論與展望】

柔性觸覺傳感器在推動神經(jīng)假肢、人機交互和智能機器人技術(shù)方面具有重要意義。然而，實現(xiàn)高度敏感的觸覺感知以區(qū)分法向力和切向力，尤其是在模擬人類手指的高分辨率多維觸覺方面，仍然面臨挑戰(zhàn)。作者開發(fā)了一種基于石墨烯協(xié)同各向異性多孔復(fù)合材料的三維力傳感器陣列，結(jié)合了力解耦的多尺度結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了力的大小與方向的精確測量，同時具備滑動檢測與表面粗糙度估計功能。通過創(chuàng)新性地采用金字塔結(jié)構(gòu)，作者的方法在500 kPa線性范圍內(nèi)展現(xiàn)出110 kPa?1的高靈敏度，力方向偏差測量誤差小于2°，檢測極限達到0.9 μN，且傳感單元邊長最小可達200 μm，性能較現(xiàn)有技術(shù)提升了一個數(shù)量級。該傳感器的卓越性能使機器人手臂能夠自適應(yīng)抓取未知尺寸和重量的物體，推動了類人觸覺感知的實現(xiàn)進程。此外，將傳感單元尺寸微縮至50 μm以下的潛力為實現(xiàn)更高空間分辨率提供了廣闊前景，促進了微操縱器和微型機器人的復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行。隨著空間分辨率和重復(fù)性的進一步提升，以及溫濕度傳感功能的集成，該傳感器有望在假肢制造和靈巧機器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用性能。

【參考文獻】

Yun, G.et al.Multiscale-structured miniaturized 3D force sensors.Nat. Mater.(2026) doi:10.1038/s41563-026-02508-7

來源：新一代柔性傳感

審核編輯 黃宇