智能泡沫可让机器人模拟人类触觉

文/陈根

随着科技的深入发展,智能机器人在思维模式和行为表现上越来越接近人类,这仿佛不足为奇。但如果说机器人拥有像人类一样的“皮肤”,可以感知附近的物体,并在损坏时自我修复,是不是有点新奇。

近日,新加坡国立大学的研究人员发明了一种智能泡沫材料。这种材料被称为“人工神经支配泡沫”或AiFoam。其是一种高弹性聚合物,由含氟聚合物与降低表面张力的化合物混合而成。该材料可让机器人皮肤模拟人类触觉,并在破损时完成自我修复。

受人类体感神经支配结构启发,研究人员在开发智能泡沫时提出了一种新结构,该结构使用三维金属线电极作为“神经”,嵌入到低模量的自愈泡沫中。所以与其他基于泡沫的传感器相比,该泡沫材料仅有600kpa的低模量,并且具有弹性,可为接触力传感器提供恢复力。

智能泡沫虽然功能很强大,但制作起来难度也不小。首先需要将含氟表面活性剂 (Zonyl FS-300) 放在 70°C 的烘箱中干燥,将两克聚(偏二氟乙烯)-共六氟丙烯(PVDF-HFP)(3M)溶解在丙酮中并搅拌至少4小时,然后向溶液中加入1．7ml含氟表面活性剂并搅拌24小时。

之后,需要将46微升1,3-二氨基丙烷 (DAP) 滴加到搅拌溶液中。在反应30分钟后,将μNi微粒添加到溶液中,并使用SpeedMixer (FlackTek)在2500rpm下将溶液混合2．5分钟。

然后需要把混合物浇铸到2．5×5×0．2cm 的玻璃模具(宽×长×高)中,将材料置于加热板上,在 70°C 下加热 30 分钟,通过蒸发丙酮来自发泡。为了交联聚合物,将材料还需加热至 120 °C 并保持 30 分钟。通过加热搅拌再加热的复杂程序,智能泡沫才能够完成。

此外,为了复制人类的触觉,研究人员在这种材料中注入了微小的金属颗粒,并在泡沫表面下方添加了微小的电极。当施加压力时,金属颗粒会在聚合物基体中靠拢,从而改变它们的电性能。这些变化可以通过计算机的电极检测到,然后发出指令告诉机器人该做什么。

AiFoam通过模拟人类的触觉实现了对周围环境的高感知,而材料特有的自我修复特性以及对接触力的敏感性,将使机器人能更好地判断人类的想法。未来,使用该材料研发的新一代的机器人,将有可能对环境变化做出更快速、更有效的反应。