💡这项突破是什么?
南湖新闻网讯（通讯员 朱荣荣）近日，工学院油菜机械化生产技术与装备团队彭望副教授课题组在Nano Energy发表题为“Flexible arrayed triboelectric pressure sensor with PDMS/CNT/CB variable-curvature friction layer for robotic tactile sensing” 的研究论文。该研究设计了一种基于PDMS/CNT/CB变曲率摩擦层的柔性阵列摩擦电压力传感器（PCC-ATPS），在实现压力感知的同时提升了阵列单元信号幅值，为机器人触觉感知提供了高灵敏度、高分辨率且低功耗的全新解决方案，展示了摩擦纳米发电机（TENG）技术在智慧农业领域的应用前景。
在物理AI时代，传感器已成为智能化系统不可或缺的一部分。传统的传感技术在长期的发展和应用中虽然已经非常成熟，但仍然存在一些缺陷和局限性，难以满足当前高灵敏度检测、柔性和低能耗传感等日益增长的应用需求。
研究设计了一种新型复合材料变曲率摩擦层，变曲率摩擦层结构在受压时，与正摩擦层材料的接触面积随着压力的增加而逐渐增大，从而输出电信号随之增大。通过化学掺杂策略制备了PDMS/CNT/CB三元复合摩擦层材料，深入探究了CNT含量对材料性能的影响，确定了2wt%CNT与1wt%CB为最优配比，该复合材料在与Cu摩擦时输出电压相比纯PDMS提升高达108%。在此基础上，团队提出并实现了一种多层异质堆叠的阵列式传感器结构设计。该设计巧妙融合了变曲面摩擦层、弹簧支撑结构（预设间隙并保证快速回弹）以及柔性封装技术，构建了高性能的3×3面阵与1×3线阵传感器，实现了传感单元的小型化与高空间分辨率。
TEH-WSD的结构设计
研究人员通过对PCC-ATPS的综合性能表征，验证了其优异的传感特性：具备0.5-30N的宽压力检测范围，在低压区（0.5-8N）和高压区（8-20N）分别展现出80mV/N和137mV/N的双模高灵敏度；拥有快速的动态响应（响应/恢复时间约107/105ms）；在经历12000次循环测试后仍保持输出稳定，表现出卓越的耐久性；同时，其对不同环境温湿度也展现出良好的适应性。团队进一步将PCC-ATPS集成于机器人末端执行器，将3×3阵列传感器应用于机械手爪，实现了对不同物体（如苹果、鸡蛋、网球）抓取时的压力大小、作用位置及分布形态的高分辨率感知与可视化，并通过电压分布矩阵图成功区分了物体尺寸差异，完成了字母识别及物体多面形状的感知。1×3线性阵列传感器则被集成于柔性三指夹爪，实现了对乒乓球等小型物体抓取/释放过程中局部压力的精确监测与上位机实时可视化反馈。这些实验充分证明了PCC-ATPS能够为机器人提供关键的触觉信息，赋能其实现自适应、精细化的无损抓取操作。
工作原理、电位分布仿真及试验测试
华中农业大学工学院彭望副教授为论文第一作者，工学院2023级硕士研究生朱荣荣为学生第一作者，北京纳米所张弛教授为论文共同通讯作者，工学院2024级硕士研究生朱轩辰为参与作者，华中农业大学为第一完成单位。
【英文摘要】Tactile perception is a core capability enabling robots to perform precise manipulation and interact with their environment, particularly in applications requiring gentle contact, such as damage-free grasping. This study proposes a novel arrayed triboelectric pressure sensor based on a Polydimethylsiloxane (PDMS)/carbon nanotubes (CNT)/carbon black (CB) friction layer (PCC-ATPS) featuring a variable-curvature friction layer of PDMS/CNT/CB. Through the development of composite materials and a multi-layer stacked structure, the sensor effectively addresses key challenges in existing triboelectric devices, such as flexibility, environmental adaptability, and spatial resolution. The sensor employs a PDMS/CNT/CB variable-curvature composite friction layer combined with a spring-assisted elastic support structure. This design achieves a 108 % improvement in voltage output and excellent mechanical durability (over 12,000 cycles). The 3 × 3 array design enables a broad pressure detection range of 0.5–30 N, with a response time of only 107 ms. Experimental results demonstrate that the PCC-ATPS integrated in a robotic gripper can accurately identify both the magnitude and location of pressure when grasping various objects (e.g., apples and eggs), while simultaneously monitoring grip force distribution in real time. This research provides a new tactile sensing approach for robots that offers high sensitivity, high resolution, and low power consumption, thereby advancing the development of intelligent damage-free grasping technology.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285526001333
