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  粘附表面廣泛存在于自然界以及人類社會中，并且在許多方面都起到了重要的作用。表面粘附的感知是人類指尖的一項重要能力，通常通過接觸目標表面及隨后的皮膚振動來實現，使得我們可以避免在與粘性表面的物體交互時產生過度黏附、脫離失敗的問題。如今機器人抓取功能的快速發(fā)展，使得其能夠完成與多種物體的交互。然而，在面對具有黏附表面的物體時，如何進行精確的表面粘附感知，智能安全地完成交互任務，仍然是一個挑戰(zhàn)。

圖1. 人類指尖皮膚的粘附傳感過程

圖2. 微型三維磁化彈簧的柔性及拉伸性展示

  有鑒于此，澳門大學周冰樸研究團隊通過模擬人類指尖皮膚“壓縮-拉伸-回彈”的粘附傳感過程（圖1），設計出了一種具有軸向壓縮和拉伸能力的微型三維柔性磁化彈簧（圖2），通過提取回彈時產生的電壓峰值以實現對表面黏附力大小的檢測。研究發(fā)現，當三維柔性磁化彈簧被按壓到膠帶表面然后收回的過程中（圖3），被拉長的三維柔性磁化彈簧會在回彈的過程中產生磁場強度的周期性變化。基于電磁感應定律，這種快速的變化可以被磁化彈簧頂部的導電線圈感知，并輸出相應的感應電壓信號。通過聯立電壓峰值與柔性磁化彈簧所受的最大拉力，則可以實現對表面粘附力大小的精確傳感（圖4）。由于電壓的峰值大小與三維柔性磁化彈簧的伸長量有關，研究人員通過改變三維磁化彈簧的剛度（切割參數、初始模量等），實現了對粘附力傳感范圍、傳感靈敏度的自由調控（圖5），以適應不同實際應用的需求。實驗結果表明，該三維柔性磁化彈簧在多種條件下，都可以實現對表面粘附力大小的精確感知。研究人員亦通過設計相應的應用程式，展示了該三維柔性磁化彈簧可以集成到人的手指或機器人的手臂中，實現表面粘附感知的功能。

圖3.三維柔性彈簧與膠帶接觸-分離的過程

圖4. 微型三維柔性磁化彈簧的傳感原理

  總體而言，該研究通過一種新的制備方法開發(fā)了磁耦合三維柔性彈簧結構，可模擬人類指尖的“壓縮-拉伸-回彈”動態(tài)過程，實現對表面粘附的感知及反饋。該工作系統(tǒng)地研究了各種關鍵因素對磁化彈簧傳感能力的影響，展示了其在穿戴式感知的應用前景；亦有望基于進一步優(yōu)化，通過與其他觸覺傳感器設計相結合，為探索未來智能機器人的仿生感應功能提供更全面的平臺。

圖5. 剛度對傳感器靈敏度和傳感范圍的影響

  相關工作以“Bionic Perception of Surface Adhesion via a Magnetized Spring-Like Sensor with Axial Stretchability”為題發(fā)表于ACS Nano。文章的通訊作者為周冰樸副教授，澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生梁遠哲為第一作者。該項研究得到澳門特別行政區(qū)科學技術發(fā)展基金、廣東省科學技術廳和澳門大學的支持，以及五邑大學羅堅義教授和澳門大學周胤寧教授的大力合作與幫助。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c07356