苏大传感器 苏大：超越皮肤的压力传感器！3D打印层压石墨烯压力传感材料

苏大：超越皮肤的压力传感器！3D打印层压石墨烯压力传感材料

成果简介

近年来，科幻电影中的人工智能机器人越来越受到关注，人们在提高机器人的感知和操纵性能方面也投入了大量的精力。基于此，开发能够处理复杂外部压力环境的机器人皮肤是智能机器人的迫切需求。然而，由于缺乏同时具有极低探测极限和广泛探测范围的压力传感材料，这目前仍然是一个重大的挑战。

本文，苏州大学江林教授和梁志强副教授等研究人员在《Advanced Functional Materials》期刊 发表名为“Beyond Skin Pressure Sensing: 3D Printed Laminated Graphene Pressure Sensing Material Combines Extremely Low Detection Limits with Wide Detection Range”的论文，研究受人类皮肤双机械感受器协同策略的启发，通过3D打印、超薄和厚壁多孔微结构组成的层压石墨烯压力传感材料。 基于这种层压石墨烯，压阻式压力传感器实现1pa的超低检测限，超宽检测范围(1pa−400kpa)，在1Pa−13 kPa和13−400 kPa的压力区，灵敏度分别为3.1和0.22 kPa−1，此外，基于这种层压石墨烯的皮肤可实现压力/重量的定量检测。这种层压石墨烯可以很容易地集成到柔性压力传感阵列中，从而能够映现压力的空间分布，这在如电子皮肤、生理信号监测和人机界面等方面显示出巨大的应用潜力。

图文导读

图1、具有不同多孔微结构的3D打印层压石墨烯压力传感材料

图2、H-RGO墨水的制备和流变特性以及层压石墨烯的3D打印

图3、a) 层压石墨烯在施加压力下的应变计算，显示了薄壁（顶部）和厚壁蜂窝层（底部）对不同施加压力的响应。

b)压力传感器在不同施加压力下的I - V曲线。

c) 压力传感器的压力响应曲线，在低压状态 (<13 kPa) 和 ≈0.22 kPa -1下表现出 ≈3.1 kPa -1的压力灵敏度在高压状态（13-400 kPa）。

d) 加载压力为 1、2 和 3 Pa 时传感器的阶跃响应。

e) 风载荷下的压力传感器。

f）在具有多个加载/卸载循环的宽压力范围（1-400 kPa）内压力传感器的稳定相对电流变化。

g) 器件在 200 kPa 压力下经过 10000 次加载/卸载循环的可靠性测试表明器件具有出色的长期稳定性。

hi) 放置在手上的柔性 5 × 5 压力传感器阵列的照片和设备结构示意图。

h-ii) 压力传感器阵列表面上字母“S”和“L”的照片。h-iii) (h-ii) 中压力分布的当前映射。

图4、由3D打印层压石墨烯压力传感材料集成的重量定量检测装置

小结

综上所述，设计并印刷了受皮肤启发的层压石墨烯压力传感材料，该材料由具有非常低弹性模量的柔软超薄壁蜂窝层和具有较高弹性模量的相对坚硬的厚壁蜂窝层组成。这种层压石墨烯压敏材料证明了将其集成到柔性大面积电子皮肤中的可行性。基于层压石墨烯制备的机器人皮肤显示了在大范围内定量检测和显示重量/压力的能力。这种以皮肤为灵感的材料结构设计理念结合了灵活便利的3D打印策略，为智能机器人的高性能压力传感设备的开发提供了一条有前途的道路。

文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202202360

苏-57进化论（二），被拍扁的苏-27

被拍扁的苏-27

　　苏-57需要满足俄空天军提出的苛刻作战要求，其中包括与F-22争夺制空权和执行深度穿透对地打击任务。在设计PAK-FA时，苏霍伊设计局以F-22为假想敌进行了针对性设计，将该机打造为一种隐身并具有超级机动和超级巡航能力的战斗机，机身广泛采用复合材料制造意图降低RCS。

　　所以该机在设计和制造中应用了俄罗斯最尖端战斗机技术，涵盖隐身、气动、发动机、复合材料、系统集成和武器。该机的大部分具体设计特点被严格保密，在其真正作战能力和性能方面的问题多于答案，因此很难评估苏霍伊设计师是否已经成功克服了研发高性能隐身战斗机所要面对的严峻挑战，例如结合了超音速巡航性能的高敏捷性与机动性、传感器融合和强大多任务能力。

　　在总体气动布局上，苏-57延续了已经过苏-27验证的升力体翼身融合气动布局。该布局当年由苏联中央空气流体动力学研究院提出，特点是主翼和中央机身融合为一个扁平的中央升力体，其纵向剖面为翼型。两台发动机以宽间距短舱的形式布置在下方两侧在机腹形成一个“隧道”，升力体产生的升力最多能占飞机总升力的20%。

苏-57具有典型的升力体气动布局

　　升力体气动布局具有以下优点：内部空间大（使苏-27具有庞大内油，苏-57能在机身内置纵列弹舱），消除了传统设计机翼和机身之间的气动干扰，降低了阻力，由于机身也能提供可观升力因此提高了整机升阻比，有利于实现较高的机动性能，当然该布局也存在浸润面积大的缺点。

　　由于苏-57为了隐身采用了菱形机身截面，全动垂尾外倾角度很大，再加上加莱特进气道倾斜侧壁，所以在整体视觉上就像被拍扁的苏-27，这恰恰反映出两者在设计思路上的一脉相承。

苏-57与苏-27的正面对比

超机动性

　　苏-57全机有12个可动控制面，包括全动平尾和垂尾、副翼、机翼前缘襟翼、襟副翼和可调前缘涡流控制器（LEVCON），两片垂尾都向内偏时就可作为减速板使用。进气口前方的LEVCON可对其产生的脱体涡进行控制，并提供一定的配平功能。LEVCON是前缘边条的进一步发展，能大幅改善苏-57的大迎角操控，在不使用矢量推力的情况下也能提供快速的失速改出。

苏-57大幅下垂的LEVCON

苏-57的降落减速状态

　　先进飞行控制系统和推力矢量喷管使苏-57具有很强的抗偏离特性，并在偏航和俯仰轴上都具有高度的机动性，使飞机不仅能做如“布加乔夫眼镜蛇”和“敲钟”这样的超高迎角机动，还能做高度损失很小的水平旋转机动（“落叶飘”）。苏-57的超音速巡航能力和作战高度也将使该机具备比前一代战斗机大幅增加的优势。

苏-57的“落叶飘”机动

　　苏-57广泛使用复合材料制造，结构重量的25%和蒙皮的近70%都是复合材料。在对静力测试机身和早期原型机进行测试之后，苏霍伊的设计师发现机身结构无法承受极端机动产生的应力，因此对苏-57的机身内部进行了改进，大幅增强了机身结构强度。

苏-57的大面积复材蒙皮

苏-57制造材料占比：40-44%铝合金 22-26%复材 18%钛合金 10%钢铁 4%其他 ​​​​

　　第二阶段机身在外观上最大的不同是：1、发动机舱上下方都涂覆吸波涂料而不是第一阶段机身裸露的钛合金耐热蒙皮。2、进气道侧面的泄气门经过重新设计和重新定位，并优化了机身口盖的锯齿外形。3、尾椎明显扩大，截面外形也经过重新设计。上述细化设计都有助于苏-57生产型降低RCS。

经过隐身细化的苏-57第二阶段机身，图为T-50-10原型机

　　该机的弹药被安装在发动机机舱之间机腹的两个串列主弹舱，以及翼根处两个三角形凸起近距格斗弹舱内。武器内置化不仅能保持飞机的隐身外形，还大幅降低了阻力，维持飞机的高机动性能。

　　先进发动机和气动设计使苏-57能实现不开加力的持续超音速巡航，凭借大内油，苏-57的超音速航程超过1500公里，是苏-27的两倍以上。在苏-57宽间距矢量喷管设计中，苏霍伊解决了F-22尾喷管只能进行俯仰控制的局限，左右喷管转轴的垂直中心线向外侧偏转了32度（右喷管向右偏，左喷管向左偏），使喷管可以在一个V形相交平面内偏转，两个喷管非对称偏转时能产生滚转和偏航控制力矩。这种3D推力矢量控制能力能在操纵面失效时，仍能在低速时保持对飞机的精确控制。

苏-57的矢量尾喷管与苏-35和苏-30MKI如出一辙

　　试飞员谢尔盖·博格丹称苏-57的飞行性能与苏-35差不多，但该机的超音速加速能力要强悍许多，具有“粗暴而狂野”的加速能力，他还指出苏-57具有良好的可控尾旋特性，能迅速改出。

　　苏-57延续了俄制战斗机在简易跑道上起降的传统，具有坚固的起落架、前轮挡泥板、进气口格栅、能有效防止发动机吸入异物。

带挡泥板的前轮

隐身设计

　　与第四代俄制战斗机相比，苏-57的雷达截面积大幅降低，尤其是前向，该机复合材料和雷达吸波材料的重量占比高达25％。但长期以来T-50原型机外露的铆钉、不加修饰的弹舱门、直通式进气口和发动机舱设计让人们质疑其隐身能力。虽然随着T-50原型机的演进，该机隐身细节设计逐步优化，但仍能看出苏-57为了高机动性和机腹大型武器舱，在隐身设计上做出重大妥协。

已坠毁的T-50S-1生产型机身表面维护盖板的螺丝也经过了隐身处理

　　苏-57在隐身设计理念上与F-22有很大不同。根据2014年出版的俄罗斯军事学说，俄前线航空兵的主要任务是防空和为地面部队提供战术级对地支援，苏-57并不像F-22那样需要在有先进综合防空系统威胁存在的情况下在敌对空域争夺制空权。所以苏-57并不是一种全向隐身的战斗机，其隐身设计主要针对前向，该机可以被视为一种反隐形战斗机，在遭遇F-22时先依靠多阵面雷达和光电系统从远距离发起超视距攻击，然后凭借机动性优势和定向红外对抗系统在近距格斗中获胜。

　　所以与F-22相比，苏-57在后机身隐身设计上就显得漫不经心了。通过综合应用隐身外形设计和吸波材料，苏-57的RCS仍比苏-27大幅降低，苏霍伊在2013年12月提交的一份专利中对该机雷达截面积的估计是“平均为0.1-1平方米”。尽管苏-57的全向隐身能力可能不如F-22、F-35、歼-20，但即使这样，该机RCS仍大幅低于四代半战斗机，如“阵风”和“台风”。

　　不管怎样，苏-57仍将是俄罗斯空军装备的第一种隐身战斗机，该机在平面外形遵循边缘平行的隐身设计原则，机翼和控制翼面的前后缘，以及蒙皮盖板的锯齿状边缘都以几个特定的角度互相平行，把雷达回波集中于向几个方向反射，降低被截获的概率。此外，苏-57的内部弹舱和与蒙皮齐平的共形天线都维持了飞机的隐身外形，风挡前方的红外搜索与跟踪（IRST）转球在不使用时会转向后方，露出RAM材料制造的壳体，以减少其雷达回波。

　　苏-57的进气道难以遮掩发动机正面的强反射源，生产飞机在改用“产品30”发动机之后才能彻底解决直通式进气道在隐身上的最大缺陷。苏-57机身表面广泛采用吸波材料，并对风挡和座舱盖玻璃进行了铟锡氧化物涂层处理，使座舱内部的雷达反射最小化。

从苏-57的直通式进气道设计上也能看出该机在隐身上的妥协

传感器融合

　　苏-57的航电和传感器系统都通过一台中央计算机进行接入和控制，该机的航电是苏霍伊公司自己进行集成的，打破了苏联时期的惯例。过去由仪表制造商负责新型战斗机的火控和飞行导航系统，对于苏霍伊设计局来说，集成工作一般被委托给拉缅斯科耶仪器设计局（RPKB）。

苏-57座舱模拟器早期型

在2019年的莫斯科航展上，俄方展示了苏-57的最新单块大屏显示器

　　苏-57配备了提赫米诺夫仪器制造研究院（NIIP Tikhomirov）全新研制的Sh121多功能集成无线电电子系统（MIRES），其核心组件是N036“松鼠”有源相控阵雷达系统和L402“喜马拉雅”电子对抗系统。

　　N036“松鼠”大概是目前天线阵数量最多的战斗机雷达系统，除了安装在苏-57机鼻雷达罩内的N036-1-01 X波段有源相控阵天线（1552个T/R模块）外，该机还在机鼻两侧安装了两块N036B-1-01 X波段有源相控阵侧视天线（各有358个T/R模块）来增加雷达系统的扫描角度，能扫描飞机前半球270度（左右各135度）的空域。

　　这还不算完，苏-57还在机翼前缘安装了两套N036L-1-01 L波段有源相控阵天线，不仅被用作N036Sh“死神”敌我识别系统的收发天线，根据未经证实的消息，苏-57的机载N036UVS计算机能对上述X和L波段天线阵列获取的雷达信号进行综合处理，获得探测隐身战斗机的能力。

N036“松鼠”雷达系统

　　这是因为现代战斗机雷达隐身技术主要针对S波段和X波段的火控雷达有效，对L波段雷达没有多大效果，因此后者可以探测到隐身目标。但L波段雷达在探测距离和精度上还不能满足火控要求，所以N036L-1-01仅被俄罗斯称为“敌我识别系统”，这大概是苏-57的一种专门针对F-22和F-35的航电，也能被看做是对苏-57明显更高RCS的补偿，这将有助于对西方隐身战斗机进行远程探测。

　　L402“喜马拉雅”电子对抗套件由卡卢加附近的无线电工程研究院（KNIRTI）研制，该系统有自己的有源相控阵天线，位于发动机之间尾椎内，但当系统工作在与雷达相同的频率时，就使用N036的天线阵列。

尾椎内L402“喜马拉雅”系统的有源相控阵天线

　　101KS“环礁”光电系统由叶卡捷琳堡的拉尔光学和机械厂（UOMZ）研制，由五个子系统组成。第一个是101KS-V——安装在座舱前方的红外搜索和跟踪（IRST）转塔，用于探测、识别和跟踪空中目标。第二个是安装在机背和前机身下方的101KS-O定向红外对抗（DIRCM）转塔，发射调制激光干扰来袭导弹的红外引导头，苏-57是全球第一种装备该设备的战斗机。第三个是101KS-U紫外导弹逼近告警传感器（MAWS），可与DIRCM转塔配合使用，苏-57机身安装了四个传感器以实现全覆盖。第四个是101KS-P高分辨率热像仪，用于低空和夜间飞行，系统的两个传感器安装在翼根近距空空导弹舱前端。最后一个101KS-N导航和瞄准吊舱，挂载于进气口下方，用于对地任务的目标识别和瞄准。

101KS“环礁”光电系统安装位置示意图

定向红外对抗系统

　　101KS-O使苏-57成为世界上第一种装备激光定向红外对抗系统的战斗机，以往该系统仅被用于装备军用直升机、运输机和客机上，用于干扰来袭的肩扛式防空导弹。苏-57装备该系统说明俄罗斯在激光定向红外对抗系统的研制上已经有了长足进步，其发射的调制激光可能已能破坏现代红外成像制导空空导弹（如AIM-9X）引导头的跟踪机制，这在全球尚属首创。从中也反映出苏-57的主要设计理念：依靠高机动性、有限隐身能力和现代电子战和光电对抗系统来躲避超视距和视距内空空导弹的攻击。

　　101KS-O的两个气泡式激光转塔被安装在苏-57座舱后的机背上方和座舱下的下颚部位，内置激光发射器反射镜组件，分别对机身上半球和下半球形成360度全覆盖。在101KS-U MAWS探测到来袭导弹之后，自卫系统会自动控制101KS-O瞄准导弹来袭方向，自动持续发射调制激光，直到致盲其引导头使导弹偏离本机为止。

101KS-O组件

101KS-O的安装位置

　　从某种意义上说，苏-57装备的101KS-O可能会成为未来视距内空战的“游戏规则改变者”。如果该装置的确有效，将使现代红外成像空空导弹有效性和杀伤率大幅下降，从而抵消掉西方战斗机在格斗弹上相对俄罗斯的优势。在战斗机上安装DIRCM系统是前所未有的，作为这方面的先驱者，苏-57很可能会引领战斗机机载DIRCM发展的潮流。

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