新型无线超薄应变传感器可以将工业机器人手臂精度提高十倍

 由新加坡国立大学（NUS）的研究团队在陈宝炎副教授的带领下，通过开发新的纳米材料应变传感器系列，提高了工业机器人手臂的安全性和精度。与现有技术相比，应变传感器在测量时更加灵敏。

这些由NUS团队开发的新型应变传感器采用MXenes的柔性、可拉伸和纳米导电材料制成，超薄，无需电池，并且可以无线传输数据。具有这些特性，这种应变传感器可以用于各种行业。

国立大学化学与生物分子工程系的陈教授助理解释说：“传统的应变传感器的性能一直受到所用传感材料的性质的限制，并且用户针对特定应用定制传感器的选择有限。通过这项工作，我们开发了一种控制MXenes表面纹理的简便策略，这使我们能够控制各种软外骨骼的应变传感器的传感性能，这项工作中开发的传感器设计原理将显著提高电子皮肤的性能。”

可以很好地使用新型应变传感器的领域之一是精密制造，其中机械臂用于执行复杂的任务，例如制造易碎产品（如微芯片）。

由NUS研究人员开发的这些应变传感器可以涂在像电子皮肤一样的机械手臂上，以测量拉伸时的细微运动。当沿着机械臂的关节放置时，这些应变传感器可使系统精确地了解机械臂如何移动以及它们相对于静止状态时的位置偏移。当前的应变传感器没有执行该功能所需的精度和灵敏度。

精密制造中使用的常规自动机械臂需要从不同角度对准它们的外部摄像头，以帮助跟踪其定位和运动。NUS团队开发的超灵敏应变传感器将通过提供精确动作的自动反馈（误差范围小于1度）来帮助改善机械臂的整体安全性，并且无需外部摄像头，因为它们可以跟踪定位和运动，而无需任何视觉输入。

“很高兴与陈宝仁教授及其在国大的团队合作开发适用于软体机器人和工业机械臂的无线传感器模块。我们共同开发了具有客户指定感测性能的无线传感器，允许机器人进行高精度运动，并且可以无线传输反馈感应数据，这与Realtek Singapore在无线智能工厂中的方法紧密结合，Realtek将继续与NUS建立牢固的合作关系，我们期待着从实验室到市场的全面合作。” Realtek新加坡董事长Yeh Po-Leh博士说。

可定制的超灵敏传感器

技术突破是生产工艺的发展，这使NUS研究人员可以在信噪比高的工作环境中创建高度可定制的超灵敏传感器。

传感器的工作窗口确定了它可以伸展的程度，同时仍保持其传感质量，并且具有高信噪比意味着更高的精度，因为传感器可以区分机械臂的细微振动和微小运动。

通过这种生产过程，团队可以将传感器定制为0％到900％之间的任何工作窗口，同时保持高灵敏度和信噪比。标准传感器通常可以达到100％的范围。通过将具有不同工作窗口的多个传感器组合在一起，NUS研究人员可以创建单个超敏感传感器，否则该传感器将无法实现。

研究团队花了两年的时间开发出这一突破，并于2020年9月在科学期刊ACS Nano上发表了他们的工作。他们还拥有在软机器人康复手套中应用软外骨骼的工作原型。

“这些先进的柔性传感器使我们的可穿戴软体机器人，具有重要的能力来感知患者的运动表现，尤其是在运动范围方面。这最终将使软机器人能够更好地了解患者的能力，并为他们的手部运动提供必要的帮助”，新加坡国立大学生物医学工程系软机器人实验室负责人Raye Yeow副教授说，他领导着国家机器人研发计划办公室的软体机器人开发项目。

该团队还希望提高传感器的功能，并与新加坡综合医院合作，探索其在软外骨骼机器人中的应用以及在经口手术中的手术机器人中的应用。

“作为外科医生，我们不仅依靠视线，还依靠触觉来感知我们进行手术的身体内部区域。例如，癌组织感觉与正常，健康的组织不同。通过增加超薄无线网络感应模块到长的机器人工具，我们可以在手无法触及并可能“感觉”到组织僵硬的区域进行操作，而无需进行开放式手术。”耳鼻咽喉头颅外科高级顾问Lim Chwee Ming博士说新加坡总医院颈外科。