触觉的传感器 模仿动物毛发的触觉机理，中国科学家设计出灵敏度更高的传感器

模仿动物毛发的触觉机理，中国科学家设计出灵敏度更高的传感器

触觉是人和动物与外界环境交互不可或缺的感觉功能之一。许多动物的触觉器官遍布其身，对于一些长毛动物，毛发感觉系统可以实现触觉感知功能，例如，老鼠能够使用胡须毛接触物体获得其方向和位置，蟋蟀、蝎子等尾部的丝状毛发能够检测到微小的空气波动来感知周围环境的变化。

动物毛发具有柔韧性，这使得其在受力状态时弯曲不易折断，非受力状态易于恢复原状，铁镓磁致伸缩材料（Galfenol）细丝与毛发有一定的相似性。毛发通常与动物表皮成一定倾斜角度，裸露在外的毛发探测到细微刺激时将产生偏转位移，深入表皮中的毛根附近分布着机械感受器，通过复杂的神经活动传递并处理触觉信息，具有极高的灵敏度。

动物出色的毛发感觉系统启发了研究人员开发新的触觉传感器，智能机器人可通过触觉传感器实现对接触物体形状、振动、压力大小与分布等信息的感知。近年来，国内外研究人员对触觉机理和敏感材料进行不断地深入探究，研发了压电式、压阻式、电容式与光学式传感器。但是压阻、压电及电容式传感器制作工艺繁琐，易受外界环境温度影响，信号处理电路相对复杂。

铁镓磁致伸缩材料（Galfenol）拉伸强度和磁机转化效率高，在较低的偏置磁场下即可表现出优良的磁致伸缩特性，可用作触觉传感器的敏感材料。目前所研制的磁致伸缩触觉传感器具有测量精度高、响应速度快等优点，但由于磁敏材料体积以及提供偏置磁场的线圈或者永磁体位置的限制，仍存在传感器结构体积较大，传感单元之间磁场相互干扰等问题。

将天然毛发感觉系统的触感功能视为探测和处理过程（见图1a），采用Galfenol细丝代替毛发以接受压力信号，将放入基底中的霍尔元件、永磁体构成的电磁检测系统等效为机械感受器，如图1b所示。处于磁场中的磁敏材料接触物体时受到挤压变形从而导致周围磁场发生变化，电磁检测系统通过实时测量磁场大小，将磁信号转化为电信号输出。

图1 仿生磁致伸缩传感单元结构设计

磁致伸缩传感单元由Galfenol细丝、永磁体、霍尔元件、刚性基底和触头组成，结构如图1c所示。Galfenol细丝倾斜固定在刚性基底中构成悬臂梁，自由端覆盖圆形薄触头，作为力的传递元件使细丝弯曲变形；细丝两侧放置极性相同的永磁体，提供水平方向的偏置磁场；霍尔元件放置在细丝的固定端，与永磁体轴线垂直，检测磁场的变化。传感单元的尺寸为12.5mm×5mm×4mm。该磁致伸缩传感单元结构简单、体积小、易于集成阵列，具有良好的鲁棒性和重复性。

图2 磁致伸缩传感阵列制作过程与样机

研究人员根据电磁学理论建立传感单元输出特性模型，根据模型参数对传感单元进行结构优化以降低空间体积。在COMSOL中搭建传感阵列模型，分析阵列中磁场干扰对输出结果的影响。对3×3传感阵列进行输出特性测试，并将其装载于机械手上进行抓取实验。在H=1.6kA/m的偏置磁场下，传感单元在0～3N作用力下传感阵列输出电压呈线性变化，灵敏度为14.52mV/N，响应时间为30ms；在2N作用力下传感阵列的输出电压均值为96.94mV，灵敏度为48.47mV/N。

研究人员指出，该传感阵列具有体积小、灵敏度高和易于制作的特点。将传感阵列样机装载于机械手上抓取目标物体，可以实现对机械手抓握物体时接触力的精确感知。

以上研究成果发表在2021年第12期《电工技术学报》，论文标题为“仿生磁致伸缩触觉传感阵列设计与输出特性”，作者为刘莎莎、王博文 等。

探秘电子皮肤——触觉传感器

什么是触觉传感器？

触觉是触碰、滚动、压觉等机械设备伤害的统称。大部分小动物的触觉器是遍及全身上下的，像人类皮肤坐落于人的表皮，而且遍及全身上下，触觉器有很多种多样，有的觉得寒冷，有的觉得痒痛，也有的觉得光洁或者不光滑，不一样部位的皮肤对不一样个物品的触觉不一样，这是由于不一样效应器遍布的数目和类型不一样。人类的面部、嘴巴、指尖等部位的各种各样效应器许多，因此这种部位的感受很比较敏感。

人类皮肤的认知全是判定却没法定量。而触觉传感器可以效仿人类皮肤，令人惊讶的是，还能够把环境温度、环境湿度、力量等觉得用定量的方法表现出来，乃至可以协助伤残者得到丧失的感知能力。例如一款新式毛状电子器件皮肤，能使智能机器人迅速辨别出吸气造成的轻度气体起伏或是薄弱的心脏跳动振动。这款传感器乃至比人类皮肤更敏感，可以广泛运用于义肢、心跳监控器及其智能机器人。

触觉传感器的首要作用有哪些？

检验作用

检验作用包含对实际操作目标的情况、机械臂与实际操作目标的了解情况、实际操作目标的化学性质开展检验。

鉴别作用

鉴别作用是在检验的根基上获取实际操作目标的样子、尺寸、弯曲刚度等特点，以开展归类和目标识别。

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