能量控制型传感器 科学家研发识别能量源的传感器，可助机器人在高能源区域”觅食”
科学家研发识别能量源的传感器，可助机器人在高能源区域”觅食”
在机器人及智能材料领域，经典控制系统会面对一些无法处理的场景，而无电脑控制系统 —— 能够靠通过感知周围环境因素而自行决策前进路线的控制系统，因此可以代替经典控制系统，从而解决经典控制系统无法处理的问题。
尽管在诸如微游泳器和活性胶体中，已经使用了无电脑控制自主决策功能，但目前已使用无电脑控制的系统都有一个共同点：只能在周围是可充电液体的环境中使用。
目前，还没有能够在干燥环境中通过靠周围环境的化学物质来为自己提供足够动力并进行移动和操纵的大型机器人和车辆设备。
本文介绍的这项工作则通过使用环境控制电压源（ECVS，environmentally controlled voltage source）突破了干燥环境这一限制，相关论文的第一作者是王敏。论文以《使用电趋化性的无计算机自动导航和发电》（Computer-Free Autonomous Navigation and Power Generation Using Electro-Chemotaxis）为题，于近日发表在 Advanced Intelligent Systems 上。
图 | 车辆避开危险（来源：受访者）
在论文中，他表示当车辆上的电动机与 ECVS 相连时，ECVS 可以给车辆充电，并通过无电脑控制自主决策功能为车辆导航，将车辆带到附近的化学燃料充电站或远离周围的危险因素。
此外，ECVS 利用化学燃料通过电化学方法进行充电，并且可以避免车辆输出电压降低或电化学动力学方面的危险。
图 | 自主导航（来源：受访者）
研究中，王敏还将两个 ECVS 串联或并联布置，从而可以根据 ECVS 周围接触的化学物质来执行不同的逻辑功能。这项工作提出的在干燥情况下进行无电脑控制的新方法，即通过电化学来根据周围环境中的各种化学场进行相应的响应，从而可以在不使用计算机的情况下为车辆和机器人提供动力并进行导航。
王敏说，毫米和厘米大小的机器人必须由小的电源来驱动其传感器、微控制器等，使其完成各种任务。然而，电池容量与材料的重量成正比，所以微电池的能量有限。
例如，最好的商用微电池只能为昆虫大小的爬行机器人提供大约 1 分钟的动力。因此，需要一种全新的能源系统来克服这一挑战。本次工作中提出的 ECVS 克服了这一挑战，它从环境中（金属和氧气）提取能量，就像一个能量采集器，从而减少了机器人小车的重量。
图 | ECVS 的性能（来源：受访者）
机器人为了实现避障会引入红外或超声装置，但都易受周围环境的影响（光线、温度），ECVS 还可以帮助机器人在不借助电子控制系统的条件下，自主实现避障导航。
此外，机器人可以像细胞生物一样，可以自由自主 “觅食” 和避险，而无需外部供能。这里的 “觅食” 指的是，让机器人具有自主寻找环境中可利用能源的能力。
当机器人电量不足时，需要及时到充电站补充电能继续工作。ECVS 类似于一个传感装置，可以帮助机器人发现周围环境中的金属源（例如易拉罐）并从中获取电能，如果遇到无能量物体，会自动避开。
简单来说，ECVS 是一个可以识别能量源并同时提取能量的传感器，帮助机器人趋向高能源区域” 觅食”。
图 | ECVS 的逻辑门（来源：受访者）
其中，ECVS 的具体研发过程如下，在没有外力的干预下，单个 ECVS 只能驱使机器人小车在金属板上沿直线运动，当遇到无金属区域，会停止前进。概括来说，这些工作的初衷是为了保证机器人小车可以避开无能量区域继续运动。
研究中，王敏先设计出多个机器人小车的三维模型，再 3D 打印出来。测试了大概 10 个模型，才最终确定。通过计算马达的工作功率，确定了 ECVS 的尺寸。
这一步比较费时间，因为需要设计出可以稳定协同工作的所有配件，摸索中寻找一个平衡点。之后的工作相对顺利，机器人小车按照预期完成了所有的功能，整体工作在半年内完成。
另据悉，ECVS 可有效弥合内部储能或外部收集两种技术的缺陷，为移动机器人持续供能。其中，ECVS 的结构很简单，在铂碳上面粘上聚丙烯酰胺水凝胶，这是一种能够储存电解液和实现离子传导的半固体物质。
日常可见的金属中储存着大量的电能，当 ECVS 接触金属（铝、铜、镁和铁等）时，会组成金属空气电池体系，输出一定的电压，从而判断出高能量、低能量和无能量区，在收集能量的同时实现自主导航，向相对高能量区运动。
当然这都需要多个 ECVS 组合完成，可以根据需求，调整 ECVS 的数量、位置、连接方式。当没有能量差时，机器人会保持直线运动。那么问题来了，如果出现能量差，但机器人仍需要保持直线完成作业，怎么办？这时可以通过调整逻辑门（和、或、非）来保证机器人的需求。除了金属，ECVS 也会对纤维素、葡萄糖和氧含量作出反馈。
谈及该研究的应用，王敏表示目前并没有实际应用，下一步工作是应用到商业的避障机器人。
图文精解：五分钟让你透彻理解传感器（赶紧收藏！）
传感器是根据材料的物理、化学、生物学的特性和规律设计而成的器件，种类繁多，在测控领域内，由某一原理设计的传感器可以同时测量多种非电量，而有时一种非电量又可用多种不同原理的传感器测量，因此传感器的分类方法较多，一般可按以下几种方法分类。
1．按输入量分类
按输入量可分为压力、位移、速度、温度、湿度等传感器。这种分类方法明确地表达了传感器的用途，便于选用，但该分类法将原理互不相同的传感器归于一类，难以找出每种传感器的转换原理上有何共性和差异。
2．按测量原理分类
这种分类方法是以物理和化学等的原理、规律和效应作为分类依据，如电压式、热电式、电阻式、光电式、电感式等。这种分类方法的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，类别少，利于对传感器进行深入分析和研究。
3．按能量关系分类
按能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器。前者将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器。通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、电磁式等。无源传感器又称能量控制型传感器。它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中能量起控制或调节作用。所以，它们必须有辅助电源，这类传感器有电阻式、电容式、电感式等。
4．根据半导体有关理论分类
分为半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。
5．按输出量分类
按输出量分类有模拟式和数字式传感器。模拟式传感器的输出信号为模拟量；数字式传感器的输出信号为数字量，便于与计算机连用，且抗干扰性强，如盘式角压数字传感器，光栅传感器等。
6．其他分类
传感器通常也可按结构型和物性型分类。
（1）结构型
主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。这种传感器目前应用的最为普遍。
（2）物性型
物性型是利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。
传感器按测量原理和用途两个大类细分如下表所示。
传感器的使用注意事项
（1）安装及线路调试
① 要熟悉传感器及后级电路的原理、特点和要求。
② 传感器安装位置和方法要正确，固定要牢固。传感器的输出信号线要符合说明书的要求。
③ 传感器的供电电源要符合说明书的要求。输出信号的极性、电流方向要与后级电路输入的要求一致。
④ 传感器及后级电路安装完毕后，要开机反复进行调整，直到达到最佳状态。
（2）操作要点
① 传感器必须与被测物体保持紧密联系，有些就直接安装在被测物体上。传感器的安装位置是否准确，对检测结果影响很大。
② 对于传感器接收装置的输入电路，其检测的精度取决于传感器的精度、安装位置和方法是否正确及接收装置的精度。
来源：《电工从业技能深入精通》 作者：张志远
版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除
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