据新加坡国立大学官网近日报道，该校科研团队开发出一系列新型纳米材料应变传感器，比现有技术在测量微小运动时灵敏度高出10倍以上，朝着改善工业机器人手臂的安全性和精度迈出了第一步。
导读
近年来，MXene 成为了备受学界广泛关注的一种新材料。它是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。
MXene 材料最早是在2011年由美国德雷克塞尔大学的 Yury Gogotsi 教授和 Michel Barsoum 教授共同指导博士生 Michael Naguib 通过HF选择性刻蚀 MAX 相中的A原子层制备得到。最早被实验制备也是目前研究最多的一类 MXene 就是Ti3C2Tx。
涂有 MXene 的织物可以阻挡电磁波和潜在的有害辐射。（图片来源：德雷塞尔大学）
由 MXene 喷涂而成的超薄天线（图片来源: 德雷塞尔大学）
近日，新加坡国立大学（NUS）助理教授陈宝仁（Chen Po-Yen） 领导的科研团队开发出一系列新型纳米材料应变传感器，比现有技术在测量微小运动时灵敏度高出10倍以上，朝着改善工业机器人手臂的安全性和精度迈出了第一步。
研究团队花了两年时间开发出这一突破性成果，并于2020年9月在《ACS Nano》科学期刊上发表了他们的工作。他们还拥有在柔性机器人康复手套中应用柔性外骨骼的工作原型。
（图片来源：NUS）
NUS 化学与生物分子工程系助理教授陈宝仁解释道：“传统应变传感器的性能受制于所采用的感应材料的性质，用户在为特定应用定制传感器时的选择有限。在这项研究中，我们开发了一种简便的策略，以控制 MXene 的表面纹理，这就使我们可以为控制各种柔性外骨骼的应变传感器的感应性能。”这项工作中开发的传感器设计原理，将显著改善电子皮肤和软体机器人的性能。
下图所示：博士生 Yang Haitao （中）展示了嵌入新型应变传感器（性能更好、灵敏度更佳）的柔性机器人康复手套，副教授 Raye Yeow （左）和助理教授 Chen Po-Yen 在旁观。
新型应变传感器可以得到很好利用的一个领域就是精密制造。在这个领域中，机器人手臂用于开展复杂任务，例如制造易碎的产品（如微芯片）。
NUS 研究人员开发的这些应变传感器可以涂覆在机器人手臂上，就像电子皮肤一样，用于测量机器人手臂拉伸时的细微运动。当沿着机器人手臂的关节处放置时，这些应变传感器使系统可以准确理解机器人手臂移动了多少，以及它们当前相对于休息状态的位置。目前现成的应变传感器的精度和灵敏度尚未达到执行这项功能的要求。
瑞昱新加坡（Realtek Singapore）公司董事长 Yeh Po-Leh 博士表示：“瑞昱新加坡公司很高兴与陈宝仁教授及其在 NUS 的团队合作开发适用于软体机器人和工业机器人手臂的无线传感器模块。我们共同开发的具有客户指定感测性能的无线传感器，允许机器人开展高精度运动，并且可以无线传输反馈的感应数据，这与瑞昱新加坡公司在无线智能工厂中的方案联系紧密。Realtek 将继续与 NUS 建立牢固的合作关系，我们期待将这项技术从实验室带向市场。”
传感器的工作窗口确定了它可以伸展的程度，同时仍旧保持其传感品质，并且具有高信噪比意味着更高的精度，因为传感器可以区分机械臂的细微振动和微小运动。
这个生产工艺，使团队可以将传感器定制为0％到900％之间的任何工作窗口，同时保持高灵敏度和信噪比。标准传感器通常可以达到100％的范围。通过将具有不同工作窗口的多个传感器组合在一起，NUS 研究人员可以创造出单个超灵敏传感器，否则将无法实现。
新加坡国立大学生物医学工程系软体机器人实验室负责人、国家机器人研发计划办公室的软体和混合机器人开发项目的领头人 Raye Yeow 副教授表示：“这些先进的柔性传感器使我们的柔性可穿戴机器人具有重要的能力，可以感知患者的运动表现，尤其是在运动范围方面。这将最终使得软体机器人能够更好地了解患者，并为他们的手部动作提供必要的帮助。”
新加坡中央医院、耳鼻咽喉头颅外科高级顾问 Lim Chwee Ming 博士表示：“作为外科医生，我们不仅依靠视觉，还依靠触觉来感觉到我们进行手术的身体内部区域。例如，癌变组织感觉与正常健康组织不同。通过在超长的机器人工具中添加超薄无线传感模块，我们可以在人手无法触及的区域进行操作，而无需进行开放式手术就可以‘感觉’到组织的刚度。”
关键词
软体机器人、外骨骼、传感器、电子皮肤
【1】Haitao Yang, Xiao Xiao, Zhipeng Li, Kerui Li, Nicholas Cheng, Shuo Li, Jin Huat Low, Lin Jing, Xuemei Fu, Sippanat Achavananthadith, Fanzhe Low, Qian Wang, Po-Len Yeh, Hongliang Ren, John S. Ho, Chen-Hua Yeow, Po-Yen Chen. Wireless Ti3C2Tx MXene Strain Sensor with Ultrahigh Sensitivity and Designated Working Windows for Soft Exoskeletons. ACS Nano, 2020; 14 (9): 11860 DOI: 10.1021/acsnano.0c04730
【2】https://news.nus.edu.sg/ultra-thin-and-highly-sensitive-strain-sensors/
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