仿生触觉传感器研究进展

触觉传感器是仿生皮肤丰富感知能力特点的柔性电子器件和系统,在机器人触觉系统和人体健康检测两大领域有重要应用前景.前者赋予机器人触觉等通过非视觉方式感知环境的能力,后者通过柔性器件贴附在皮肤上实现对脉搏、血压、心电、肌电等生理健康参数检测.从柔性、自愈合电子材料的研究,到器件结构设计,再到多功能系统集成等几个方面,仿生触觉传感器件和系统不断迭代发展,凭借其柔软、可拉伸的特性,赋予人机交互器件的穿戴舒适感,也让许多传统的监测或佩戴设备更便携、更日常化,在医疗检测设备、可穿戴式电子设备、健康大数据等领域都展示出巨大的潜力和应用前景.本文回顾了近年来仿生触觉传感器领域的研究进展,并展望其未来发展和应用方向.     

基于Te-PEDOT:PSS复合热电材料的柔性压力/温度传感系统

随着人工智能技术的快速发展,面向人机交互技术的新型柔性传感器的需求与日俱增.柔性传感器作为智能机械手、仿生假肢手等仿生智能系统获取外界信息的重要媒介,对实现仿生触觉感知能力以及提升系统智能化具有重要意义.当前,如何通过材料与结构设计,研制具有多模态感知能力的柔性触觉传感器,已成为柔性电子领域关键挑战之一.本文采用水热法制备了Te-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(Te-PEDOT:PSS)复合热电材料.通过将其与三维多孔密胺泡沫骨架复合,并浸涂聚乙烯醇(PVA)薄层进行封装,实现了具有高界面稳定性的复合敏感材料体系可控制备.由此所组装的柔性触觉传感器件兼具Te-PEDOT:PSS的热电性能与三维泡沫电极板的电容性能,实现了压力/温度在接触/非接触模式下的双模态感知能力.进一步将其与智能机械手联用构建了感知反馈系统,对其在触觉感知方面应用性能进行了探索.     

超灵敏、宽频域新型柔性仿生振动传感器

信息化社会对电子产品的柔性化、便携性(轻薄、可折叠、可穿戴)的需求日益增加,最近的研究表明,利用碳纳米管优异的电学、力学特性和纳米尺度效应而设计出的柔性纳米传感器表现出更高的灵敏度、更快速的响应-恢复时间等优异的特性.本文基于多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotube,MWNT)复合材料,采用一种简单喷涂成膜的方法制备了具有空腔结构的柔性仿生振动传感器,该柔性仿生振动传感器时间分辨短(22.7μs),信噪比高(55 dB),检测范围宽(20~22000 Hz),可以高质量地实时检测并记录声音信息,在声音检测以及构筑电子耳膜来治疗耳膜损伤导致的耳聋等方面提供了新的可能性方案.     

新型可测量大变形的弯曲型光纤光栅裂缝传感器

光纤光栅传感技术以其自身的优势,在结构裂缝监测等工作中得到了广泛的应用,然而由于其自身很容易折断的特点,其测量的范围较小.在前人研究成果的基础上,设计了一种简易弯曲型光纤光栅裂缝传感装置,并通过实验对此传感装置的性能进行了验证.实验结果表明,本裂缝传感装置切实可行,可明显提高普通光栅光纤传感器的测量范围,而且具体良好的重复使用能力,以应对实际工程中裂缝开展情况的不确定性.     

面向柔性制造系统的基于“自治子网”的Petri网结构化建模方法及其活性保障策略

提出了一种面向柔性制造系统的基于共享“自治子网”融合的“至底向上”的Petri网结构化建模方法, 并基于网络的结构特征: 不变结构和虹吸结构, 对所得模型的活性、保守性和可逆性进行了理论分析. 证明了所得模型的保守性, 并进一步刻画了模型活性与“虹吸”结构之间存在的等价关系. 基于这一充要条件, 通过在模型中以“自治子网”融合的方式加入特定条件的控制子网来建立一种活性保障策略, 保证模型的活性. 这种基于模型结构特性得到的结论对所得模型具有普遍意义, 从方法学上保证所得的柔性制造系统的Petri网模型的活性、保守性和可逆性等重要属性. 给出的实例展示了该方法的有效性.     

基于纳米材料的化学发光传感器研究

本文合成了多种纳米材料,在此基础上设计了乙醇、乙醛、氨、三甲基胺等化学发光传感器。并对传感器的灵敏度、选择性、使用寿命等参数进行了评价．证明了这类传感器具有良好的传感性能,是一类有前途的化学发光传感器。     

纳米硅薄膜材料在场发射压力传感器研制中的应用

设计研制了一种基于量子隧道效应机制的场发射压力传感器原型器件, 用CVD技术制备了粒径为3 ~ 9 nm, 厚度为30 ~ 40 nm的纳米硅薄膜, 并同时把这种低维材料引入到传感器阴极发射尖锥的制作, 形成纳米硅薄膜为实体的发射体结构. 用HREM及TED分析了纳米硅态的显微特性, 用场发射扫描电子显微镜SEM分析了发射体及阵列的微观结构, 用HP4145B晶体管参数测试仪考察了传感器件的场发射特性. 实验结果表明, 当外加电场为5.6×10⁵ V/m时, 器件有效区域发射电流密度可达53.5 A/m².     

金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感领域的研究进展

作为一类重要的传感材料,半导体金属氧化物已被广泛应用于气体传感领域,其优异的电化学特性、催化特性以及阻抗变化特性使其适用于各种氧化-还原类的气体传感.同时,作为一种具有独特单原子层厚度的sp2碳原子杂化二维材料,石墨烯表现出独特的物理-化学特性,因此,基于石墨烯的复合材料成为近年来的研究热点.利用金属氧化物优异的气敏传感特性及石墨烯独特的电学、力学和热力学特性,将石墨烯/金属氧化物复合材料应用于气体传感领域已引起人们的极大兴趣.本文系统总结了近年来不同形貌、不同结构的金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感中的应用,列举了在检测同一种目标气体时不同金属氧化物/石墨烯复合材料传感性能的异同,归纳了金属氧化物修饰的石墨烯复合材料最新研究进展,并对金属氧化物/石墨烯复合材料在气体传感领域的研究趋势进行了展望.     

压电光子学效应及其应用

近年来,压电光子学作为一个新兴的研究领域吸引了学者们的广泛关注.压电光子学效应是压电半导体的压电极化和光激发的耦合,是利用应变诱导的压电极化调控材料能带结构进而控制电子-空穴的复合发光过程.压电光子学效应为新光源、智能触觉传感和机械光子学等重要技术提供了研究基础,尤其结合第三代、第四代半导体材料同时具有压电效应和半导体特性的优势,有望实现高性能的力-致发光器件.本文简要介绍了压电光子学效应的基本原理、材料体系以及压电光子学器件的研究进展,并对这一学科的未来发展进行了展望.     

仿生蜻蜓脉膜折纸结构的压缩性能研究

折纸结构具有折叠诱发的独特力学特性,在机器人、航空航天、材料科学等诸多工程领域有广泛的应用前景.基于膜结构设计的Kresling折纸承载能力小、折叠路径不稳定的不足,本研究利用蜻蜓脉膜的刚柔耦合结构进行仿生设计.以软质硅胶为膜、硬质树脂内嵌为脉,形成柔性软膜与刚性内嵌互相包被的二级刚柔耦合类Kresling折纸结构.该折纸结构具有变刚度特性,有优异的折叠特性和较高的折叠比.准静态压缩试验结果表明,有内嵌折纸结构折叠路径单一稳定,轴向压缩量与层间转角呈现单自由度结构的特征.相对于无内嵌折纸结构,刚性内嵌限制了峰折折痕的屈曲,可显著提升其力学性能,其中n=4的构型中有内嵌结构支反力极大值提高了60.87%.同时,其支反力具有迟滞性,折纸结构具有稳定的滞回耗能特性,在1000次加载-回复循环后仅下降3.60%,未发生显著降低.     

基于连续化制备的核壳结构压感纤维阵列式精准轮廓识别垫

记录和理解外界压力刺激对于人与周围环境交互的研究和智能机器人的开发具有重要意义.现有的压力传感设备多为刚性结构难以自然贴附于物体表面,且低密度传感单元使得物体压力特征信息的获取受到限制,一种可适形、全覆盖、高密度的压力传感与分析系统亟待研究.本文采用湿法纺丝工艺连续化制备了芯层为混纺导电芯材,包层为碳纳米管掺杂的聚氨酯的核壳结构压感纤维,通过缝纫、刺绣方式在织物表面构筑经纬结构的交叉点压力传感阵列.结合阵列数据采集实时捕获压力图谱帧,基于深度学习卷积神经网络驱动的算法模型,实现了物体轮廓识别垫对环境物体的轮廓精准分类识别.该识别系统准确率高达99.4%,证明了其在提取物体的压力信息和揭示物体的形态特征的应用潜能.     

基于GSM的施工升降机超载保护远程监测系统设计

设计了一种施工升降机中超载保护的远程监测系统。该系统由重量传感器采集重量信号,经过加速度传感器修正采集值后输入单片机处理,以实现自动在线无线监测、报警和断电保护。并利用GSM模块进行远程监测报警。通过现场试验,得出该超载保护系统能有效避免动载荷误报警的问题,具有稳定性好、管理方便等特点。     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

用弱相干白光双干涉系统测量光纤的蠕变

通过实验的方法研究了用于光纤传感器的光纤的蠕变特性. 设计了一个弱相干的白光干涉测量系统, 用该系统测量了光纤在静力拉伸和交变拉伸载荷作用下的蠕变. 研究结果表明, 对采用聚酯涂敷的光纤, 在静载和动载荷的作用下, 开始时均具有较大的蠕变, 但是随着静载作用时间的推移或交变载荷的循环次数的增加, 蠕变将停止. 为了保证压力光纤传感器中光纤的预应力, 建议光纤在装入传感装置以前预先加载一段时间或进行一定次数的拉-松循环加载消除光纤工作时可能产生的蠕变.     

基于石墨烯/PEDOT:PSS复合材料制备的可穿戴柔性传感器

随着智能设备的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景.电阻式柔性应变传感器因具备较高的灵敏度与良好的生物兼容性等优点使其成为受关注的电学传感器.本文基于溶液共混法,制备一种新型的石墨烯(GR)/PEDOT:PSS多组分混合墨水材料,用直写喷墨打印技术制备了"电阻式"柔性应变传感器.该传感器以聚酰亚胺(PI)柔性薄膜为基底材料,以GR/PEDOT:PSS多组分混合墨水为导电材料,通过直写喷墨打印技术在柔性基底上打印导电图形.实验利用SEM、电学测试平台等表征手段分析了不同的GR掺加量对复合墨水材料性能与打印工艺的影响.实验结果表明:采用乙醇超声分散的GR材料可有效分布在PEDOT:PSS中,进而改善其在导电聚合物中的分散性;提高打印速率可明显降低线宽;随着GR掺加量的增大,柔性传感器阻值逐渐降低,器件的灵敏度下降;由此推断出相对疏松、分散性较好的墨水材料更有利于灵敏度的提高;提高柔性传感器的深宽比,可显著提高传感器的灵敏度.当弯折角度为80°时,电阻变化率(R/R0)最高为3.414,有望应用于柔性可穿戴设备新兴领域.     

基于GSM模块的远程温湿度监控系统

本文给出了一种基于GSMTC35i模块的远程温湿度监控系统设计。它通过温湿度传感器采集数据后在单片机内部处理,若温湿度超出设定范围则通过TC35i发送报警信息、本设计成本低、运行稳定、可靠性好.     

柔性薄板翼流固耦合振动噪声风洞试验研究

柔性结构在风场中会发生流固耦合振动,其噪声特性要比流场中刚性结构气动噪声更为复杂.通过声学风洞试验,对比研究了流固耦合作用下不同柔性薄板翼模型的气动噪声特性.试验表明,随着结构柔性增加,薄翼气动噪声声压级对风速和迎角变化更加敏感.柔性平板翼噪声的频谱特性和声源位置都与刚性翼明显不同.研究发现,在特定迎角和风速下气动噪声强度会突然显著增强.给出了流固耦合作用下的平板翼气动噪声变化初步规律,为相关流固耦合振动噪声理论分析和数值模拟提供了试验支撑.     

PDMS/SiC功能梯度衬底3D打印制备和性能研究

针对当前柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域使用的衬底面临挑战性的难题:难以同时满足一侧具有很好的柔性而另一侧具有较高刚度(变刚度功能梯度特性),以及散热性能和材料生物兼容性差的问题,本文提出一种PDMS/SiC功能梯度衬底,以PDMS为基体材料, SiC为增强相(填料);并且SiC含量在PDMS基体中从一侧到另一侧逐渐增大,呈现连续功能梯度和变刚度特性.为了解决现有技术难以制造PDMS/SiC功能梯度衬底的问题,提出一种基于多材料主动混合3D打印制造新方法,它能实现PDMS/SiC功能梯度衬底高效低成本制造.通过实验揭示了打印速度、背压、打印平台加热温度等主要工艺参数对打印衬底质量和性能的影响及其规律.利用提出的制备方法并结合优化的工艺参数,制造出高性能的PDMS/SiC功能梯度衬底.与传统的PDMS衬底相比,新型衬底其热导率提高了2.5倍; SiC含量50%一侧的杨氏模量增加了2.9倍,电学性能稳定;而且新型衬底刚度的空间变化呈现连续梯度特性.实验结果显示, PDMS/SiC功能梯度同时具有较好的柔性和较高刚度,而且还具有优良的散热性能,良好的绝缘性和生物兼容性,变刚度功能梯度特性,为柔性电子、电子皮肤、可穿戴电子、软体机器人等领域亟需的新一代高性能衬底提供了一种新的解决方案.     

文氏管非定常空化流动可视化实验研究

结合高速摄影和脉动压力测量技术,在模拟发动机供应系统动力学边界条件的基础上,开展了某型文氏管非定常空化流动可视化实验研究.获得了空化区详细的内部结构和脉动压力数据,分析了空化区形态的变化和非定常特性.结果表明:随着空化数的降低,文氏管流场从初生空化、膜状空化,过渡至云状空化.在云状空化阶段,文氏管空化流场呈现出复杂的动态过程,空化区可以划分为附着型环向气泡膜和脱落型气泡云.附着型气泡膜作为一个整体,相对较为稳定,内部的压力波动很小.脱落型气泡云上存在大块云团的断裂、脱落和溃灭过程,产生明显的脉动压力峰,脉动压力在频域上表现为无固定频率的宽频带.空化区下游存在局部的高速逆向射流,驱动附着型气泡膜长度不断缩短和伸长,使得气泡膜的长度沿周向也出现明显的不一致.在云状空化阶段,文氏管下游系统出现了290～400 Hz范围的系统性自激振荡.     

大变形飞机配平与飞行载荷分析方法

提出了一种可同时考虑结构几何非线性效应曲面气动力效应的大变形飞机静气动弹性配平和载荷分析方法.该方法利用三维曲面涡格法计算大变形飞机的曲面气动力,引入非线性结构有元计算方法考虑结构几何非线性效应,采用曲面样条插值方法解决气动/结构耦合问题,然后结合全机在变形构型下的刚体运动平衡方程进行柔性飞机大变形状态气动/结构耦合情况下的静气动弹性配平迭代求解.以某常规局大展弦比柔性飞机半展长缩比模型为例,应用该方法对其纵向静气动弹性配平特性及飞行荷进行详细的分析与研究,并与MSC Flightloads线性方法的计算结果进行了对比.分析结果表明结构变形较小时,本文非线性方法和线性方法的计算结果吻合较好.而当结构具有较大变形时,由于线性方法无法考虑气动力曲面效应和结构几何非线性效应故不再适用,而本文出的非线性方法可对大柔性飞机在大变形构型下的配平特性作出较为准确合理的预测,并可满足飞机设计各个阶段的工程应用需求,完成考虑结构几何非线性静气动弹性配平特性的多轮次快速分析.