Nature Materials 由石墨烯-液态金属复合材料制成的三轴力微型传感器阵列

柔性触觉传感器对于推动神经假体、人机交互和智能机器人技术的发展至关重要。然而实现高灵敏度触觉传感以区分法向力与切向力特别是在模拟人类手指高分辨率多维触觉方面仍然是一个挑战。在此文中提出了一种由石墨烯-液态金属复合材料制成的三轴力微型传感器阵列。利用具有金字塔几何形状的微孔复合材料中的各向异性颗粒网络通过多级结构化实现了法向-切向力的解耦。我们的方法在500 kPa的线性范围内R2 0.998提供了110 kPa⁻¹的优异灵敏度力的方向测量偏差小于2°。该传感器阵列通过自适应抓取未知物体展示了力解耦和滑移检测能力。文中微型传感器在尺寸和检测极限上比现有技术提高了一个数量级使微操作器和微型机器人能够实现三维力传感从而解锁了机器人先进的操作灵巧性。图 1APE 传感器的多尺度结构人类手指配备有四种类型的机械感受器RA、PC、SA-I和SA-II能够感知包括压力、振动、剪切应力和拉伸应变在内的多维触觉力。这些感觉的结合使得在高空间分辨率下处理复杂的触觉信息成为可能包括力的方向、滑动和纹理感知这对我们与环境交互和执行日常任务至关重要。因此开发能与人类手指相媲美的小型化多维触觉传感器对于推进具有灵巧操作能力的下一代机器人至关重要。图2APE 的电学和力学性能近年来已开发出各种触觉传感器来复制指尖的三维3D触觉。这些传感器使用不同的机制来解耦法向力和剪切力包括电阻变化、电容变化、输出电压变化、磁场变化、气压变化或光信号变化。然而光电或机械解耦三轴力传感器所需的复杂笨重结构阻碍了其集成到典型的机械臂或假肢中。各种用于检测滑动或表面纹理的传感方案在识别力方向方面也面临挑战。尽管在使用多层压阻材料和图案化电极的传感器方面已取得进展但许多仍难以准确识别切向力的方向或仅限于测量固定方向上的力。图 3APE 金字塔传感器单元文中提出基于石墨烯协同各向异性多孔导电弹性体APEs的多级结构化力传感器阵列以应对这些挑战。我们的复合材料包含一种由尖刺状镍Ni颗粒、少层石墨烯FLG纳米片和液态金属LM微滴组成的混合填料形成了以LM微滴为可变形枢纽、FLG片为桥梁的固-液混合导电网络。这里使用的LM指的是共晶镓铟合金EGaIn它结合了液体的可变形性和金属的高导电性。通过在制备过程中引入致孔剂并在磁场下固化该复合材料结合了互连的微孔结构和各向异性填料网络从而沿排列方向实现了高力灵敏度。我们进一步模仿人类表皮的结构制造了单个传感单元小至200微米的金字塔形传感器阵列。金字塔结构的使用实现了极高的线性灵敏度和宽广的检测范围。我们将其集成到机器人夹持器中演示了对力的大小和方向、滑移及粗糙度的高精度实时感知为假肢和微操作器等触觉设备提供了关键能力从而提升了机器人在不可预测或未知环境中的操作灵巧性。图 4APE 传感器单元的三维力感测作者利用石墨烯协同各向异性多孔复合材料开发的三维力传感器阵列结合了实现力解耦的多级结构能够精确测量力的大小和方向并检测滑动及评估表面粗糙度。通过创新性地采用金字塔结构我们的方法在500 kPa的线性范围内实现了110 kPa⁻¹的灵敏度力方向测量偏差小于2°检测限达0.9 μN并实现了边长小至200 μm的传感单元其性能相比现有技术提升了一个数量级。该传感器卓越的性能使得机械臂能够自适应抓取未知尺寸和重量的物体让我们更接近复制人类水平的触觉感知。此外将传感单元进一步微型化至50 μm以下的潜力为获得更精细的空间分辨率提供了令人兴奋的可能性从而能够实现微操作器和微型机器人中的复杂任务。随着空间分辨率和可重复性的进一步提升以及温度与湿度传感功能的集成我们的传感器有望在从假肢到灵巧机器人等广泛应用中实现优异的性能。图 5APE 传感器阵列的演示文章标题Multiscale-structured miniaturized 3D force sensors文章链接https://www.nature.com/articles/s41563-026-02508-7