从鱼鳞获得灵感：中国科大研制柔性触觉传感器，助力机器人拥有“指尖触觉”

近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院王洪波研究员课题组, 提出了一种基于仿鱼鳞结构电场调控的新型巨型压电容传感器（GPCS），能够实现接近人类手指水平的高精度触觉感知。该传感器不仅能够识别微米级表面纹理，还可在机器人抓取过程中实时判断猕猴桃成熟度，并完成自动分拣与人机交互任务，为机器人在复杂真实环境中的精细操作与智能感知提供了新路径。

相关成果以“Fish‐Scale‐Inspired Giant Piezocapacitive Sensors for Human‐Level Touch Perception”为题发表在国际期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。

面向机器人复杂环境下的精细操作需求，柔性传感器需要同时具备高灵敏度、宽检测范围、高速响应、优异机械耐久性以及易于制造等特点。然而，目前大多数柔性电容传感器仍难以兼顾上述性能，尤其在复杂形变感知、长期稳定性和多模态触觉识别方面存在明显限制。

受鱼类皮肤“刚性鳞片—柔性真皮”结构的启发，研究团队设计了一种仿鱼鳞电场调控膜（SEGF）。该结构由高介电常数的PZT刚性鳞片与柔性硅胶基底组成，鳞片之间形成微米级空气间隙。这些空气间隙可作为“电场门”，在微小形变下动态调控叉指电极之间的边缘电场，从而将极其细微的机械变形转化为显著的电容变化，实现“巨型压电容效应”。基于该机制构建的GPCS传感器在±90°弯曲范围内可实现低至0.005°的超高分辨率，响应时间仅为0.6 ms，并在10万次循环弯曲测试后仍保持稳定性能。相比传统叉指电极结构，其弯曲灵敏度提高了177倍，同时兼具优异的机械鲁棒性，即使局部结构损伤后仍能够正常工作。

得益于超高灵敏度和高速响应能力，研究团队进一步将GPCS集成于柔性仿生手指，实现了基于滑动触觉的表面纹理感知。实验结果表明，该系统不仅能够检测不同高度和周期的微结构表面，还能够识别厚度仅为1.8 μm的打印碳粉纹理，其精度已超过人类手指的触觉分辨能力。此外，研究团队利用单个GPCS柔性指尖实现了16种不同织物纹理的准确区分。不同织物在滑动过程中会产生独特的电容响应“触觉指纹”，通过简单的时域与频域特征分析即可完成材料识别。

为了验证其在机器人实际场景中的应用潜力，研究团队进一步将4个GPCS组成阵列并集成于柔性夹爪中，实现机器人抓取过程中的猕猴桃成熟度识别。由于不同成熟度水果具有不同硬度，夹爪在抓取时会产生不同程度的形变，而这些细微变化能够被GPCS实时感知。基于传感数据与机器学习算法，系统对猕猴桃成熟度的识别准确率达到92%。在演示实验中，机器人能够自主完成“抓取—感知—分类—递送”等连续任务：未成熟和半成熟猕猴桃被自动放入对应区域，而成熟猕猴桃则能够在人手接触后自动递送给使用者，实现自然的人机交互。

该研究并不是简单地把柔性传感器做得“更灵敏”，而是从鱼鳞“刚性鳞片—柔性真皮”的天然结构中获得启发，提出了一种通过微米级空气间隙调控电场的新方法。借助这种仿鱼鳞电场调控机制，极其细微的机械变形可以被放大为明显的电容信号变化，使柔性传感器能够感知微米级表面纹理、识别不同织物材料，并在机器人抓取过程中判断水果成熟度。该研究为机器人精细触觉感知提供了新的结构设计思路，也为人形机器人仿生皮肤、智能抓取和自然人机交互等方向提供了重要技术基础。

工程科学学院精密机械与精密仪器系博士生彭玉连为论文第一作者。工程科学学院、人形机器人研究院王洪波研究员为论文通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金项目，中科院引才计划青年项目、人形机器人研究院重点项目，安徽省科技创新攻坚计划重大项目和中国科学技术大学高层次人才引进计划的支持。

未来，这种仿鱼鳞柔性触觉传感技术有望应用于人形机器人电子皮肤、智能假肢、康复手套和可穿戴设备等领域，使机器人能够更准确地感知物体纹理、软硬和状态，推动更自然、更精细的智能触觉感知。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73528

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