基于双重感应机制的柔性三轴触觉传感器
来源：宁波市智能传感产业协会
发布时间：2025-4-24
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三轴触觉传感器可提供法向力和剪切力的实时信息，是实现触觉感知的关键技术，为机器人、人机界面、环境感知和健康监测开辟了新的可能性。在基于不同原理的三轴触觉传感器中，电感式传感器虽具有抗环境干扰的突出优势，但其对法向和剪切载荷的低灵敏度始终是技术瓶颈。本研究提出一种新型柔性电感式三轴触觉传感器，通过创新性地融合毕奥-萨伐尔定律与涡流效应的双传感机制，成功实现了对静态/动态法向与剪切载荷的高灵敏度区分检测。设计非均匀间距混合线圈以产生均匀磁场，克服传统均匀线圈的固有局限，使触觉灵敏度显著提升。采用皮秒脉冲激光刻蚀技术实现了银纳米线电感线圈的高精度图案化，结合多孔可压缩层结构实现灵敏度与量程的可调谐特性以满足多样化需求。最终通过用户腿部与矫形器之间的集成测试，验证了该传感器在三轴力实时监测及环境干扰鲁棒性方面的卓越性能。
图片摘要
图文导读
本研究开发了一种高灵敏度、低滞后的柔性双机制三轴触觉传感器（DTTS），能够精准检测静态和动态的法向力与剪切力（图1A-C）。针对电感式传感器长期存在的灵敏度不足问题，我们提出了以下创新性解决方案：
（1）首次联合利用毕奥-萨伐尔定律和涡流效应（EC效应）双传感机制[图1D]，突破了传统单机制电感传感器的局限。这种双机制设计显著提升了法向力和剪切力的检测灵敏度，据我们所知，此类设计在电感式传感器领域很少被报道；
（2）设计了非均匀间距的优化混合线圈结构，可产生均匀磁场，使法向/剪切力检测灵敏度获得显著提升。虽然混合线圈在无线充电系统中已有应用，但这是首次将这种设计应用于电感传感器以提高灵敏度；
（3）创新性地引入多孔可压缩层（PCL）。通过基于液滴的微流控辅助乳液自组装方法（DMAES）制备的PCL具有孔径精确可控的高度有序多孔结构，实现了高度有序的孔隙排列和精确可控的尺寸。该设计可根据孔径大小（2 kPa至3.4 MPa）调节灵敏度和检测范围，满足不同应用需求。
采用银纳米线（AgNWs）作为电感线圈的导电材料，显著提升了传感器的柔性和可拉伸性，使其适用于人体等非平面表面的集成。通过皮秒脉冲激光图案化技术，可实现40 µm精细线间距的高精度线圈加工。最后，我们将传感器集成于用户腿部与矫形器之间，成功展示了其在三轴力实时监测和环境干扰稳定性方面的优异性能。
图1. DTTS概览
图2 DTTS的结构和机制
图3. 传感器的制造工艺
图4 线圈优化
图5 PCL的制造工艺
图6 c-PCL的表征
图7 DTTS的触觉感知性能
图8 传感器的概念验证演示
总结与展望
本研究介绍了双机构、高灵敏度、软三轴电感式传感器的设计、制造和优化，这些传感器能够检测静态和动态法向和剪切载荷。传感器线圈经过优化，可实现均匀的磁场，从而显著提高对法向/剪切载荷的灵敏度和剪切感应的线性度。线圈的制造是通过基于脉冲波皮秒激光源的精确激光图案化技术实现的。通过采用Biot-Savart定律和EC效应原理以及可调PCL，该传感器在正常负载下实现了2.63% kPa-1（910 nH/N）的灵敏度，在剪切负载下实现了2.80% kPa-1（4.67 μH/N）的灵敏度，超过了现有的电感式传感器。开发的传感器由全软材料制成，具有出色的柔韧性，使其能够适应曲面，例如人的腿和RGO。该传感器能够在日常活动中检测腿部和 RGO 之间的三轴力。此外，该传感器对环境物体的鲁棒性也表现出色。
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