據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，一支日本立命館大學(xué)（Ritsumeikan University）的研究團(tuán)隊(duì)在Scientific Report期刊上發(fā)表了題為“Active tactile sensing of small insect force by a soft microfinger toward microfinger-insect interactions”的最新論文，基于集成人工肌肉執(zhí)行器和觸覺(jué)應(yīng)變傳感器的柔性微指，研究團(tuán)隊(duì)提出了微機(jī)器人與昆蟲(chóng)的交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了球潮蟲(chóng)和微指之間的交互，本研究成果有望應(yīng)用于觸覺(jué)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。

圖1 微指-昆蟲(chóng)交互系統(tǒng)

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和“芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）”技術(shù)在非常小的芯片上集成了各種傳感和執(zhí)行功能。這些器件將接收到的物理和化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，使得生化反應(yīng)可以在芯片上生成和處理。除了芯片上的檢測(cè)或反應(yīng)外，微機(jī)械還有潛力作為各種交互作用的中介工具。仿人機(jī)器人需要各種傳感器和執(zhí)行器來(lái)模仿人類(lèi)的功能。專(zhuān)業(yè)化和差異化的工業(yè)機(jī)器人配有傳感器和執(zhí)行器以完成其任務(wù)?？s小尺寸的微型傳感器適用于在不破壞其基本功能的情況下使機(jī)器人功能化。此外，微機(jī)械有潛力作為與微觀世界進(jìn)行各種交互的中介工具。微機(jī)器人能夠在這個(gè)微觀世界中與環(huán)境交互，而仿人機(jī)器人則是為宏觀世界中與人機(jī)交互而設(shè)計(jì)的。將觸覺(jué)接口與微機(jī)器人相結(jié)合，甚至可以實(shí)現(xiàn)微觀世界與我們之間的交互。

微型傳感器已被用于測(cè)量昆蟲(chóng)等小型生物的力。昆蟲(chóng)的飛行力，作為昆蟲(chóng)的一種典型力，已被人們使用各種方法對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量。微型傳感器的直接測(cè)量和運(yùn)動(dòng)捕捉的圖像處理已被用于力的測(cè)量。研究人員利用條紋投影法對(duì)飛蛾翅膀的變形、運(yùn)動(dòng)和產(chǎn)生的力進(jìn)行了光學(xué)測(cè)量?？諝鈩?dòng)力垂直力約為7mN。它大約是作用在飛蛾身上的重力（約1.3mN）的5倍。

不僅動(dòng)物，植物也會(huì)產(chǎn)生力來(lái)改變它們的形狀和物理特性。捕蠅草上部葉子的運(yùn)動(dòng)是眾所周知的植物運(yùn)動(dòng)的一個(gè)例子。捕蠅草攻擊、抓住和壓縮獵物時(shí)產(chǎn)生的力的測(cè)量已經(jīng)被報(bào)道。研究人員使用壓電傳感器直接測(cè)量其捕食時(shí)的平均沖擊力，并使用攝像機(jī)確定時(shí)間常數(shù)。例如，捕蠅草中兩個(gè)葉輪緣之間的平均沖擊力為149mN。

之前的大多數(shù)研究工作都集中在昆蟲(chóng)行為的測(cè)量，例如飛行力和腿部力?；诩扇斯ぜ∪鈭?zhí)行器和觸覺(jué)應(yīng)變傳感器的柔性微指（如圖1a所示），本研究團(tuán)隊(duì)首次提出了微機(jī)器人-昆蟲(chóng)的交互系統(tǒng)。微指可以對(duì)目標(biāo)昆蟲(chóng)施加力并刺激昆蟲(chóng)。微指的人工肌肉執(zhí)行器是一種由聚合物制成的氣動(dòng)球形執(zhí)行器（PBA），它足夠柔軟且安全，可以與昆蟲(chóng)溫和地交互。在之前的研究中，團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)使用PBA開(kāi)發(fā)了帶有微指的機(jī)器人操縱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了物體抓取運(yùn)動(dòng)。此外，他們還開(kāi)發(fā)了用于細(xì)胞聚集體操縱的微指，可將球形人類(lèi)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSC）聚集體（φ200μm）捏住并釋放在微孔板上。

除了人工肌肉微執(zhí)行器之外，本論文的研究還將觸覺(jué)傳感器集成到微指中。最近，團(tuán)隊(duì)成員利用液態(tài)金屬（Galinstan）填充的微通道，開(kāi)發(fā)了一種用于PBA的應(yīng)變傳感器。這種液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器是電阻式的，其應(yīng)變系數(shù)大約為1。該應(yīng)變傳感器可以通過(guò)將液態(tài)金屬填充到微通道中來(lái)制造。這項(xiàng)研究表明，集成在微指中的液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器可以檢測(cè)昆蟲(chóng)的反作用力。因此，微指能夠?qū)铙w昆蟲(chóng)進(jìn)行主動(dòng)力傳感。團(tuán)隊(duì)成員還開(kāi)發(fā)并報(bào)道了一種觸覺(jué)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)從屬微指和一個(gè)操作員的主接口設(shè)備組成。

基于此，本論文提出了一種用于昆蟲(chóng)反作用力主動(dòng)傳感的微指末端執(zhí)行器，它與交互系統(tǒng)（如雙邊控制系統(tǒng)和觸覺(jué)遙操作系統(tǒng)）相結(jié)合，具有在微觀世界中與昆蟲(chóng)交互的潛力。

集成PBA和應(yīng)變傳感器的微指制造工藝

將微指（12mm × 3mm × 490μm）與PBA和應(yīng)變傳感器集成在一起，制造工藝如圖2所示。PDMS層是通過(guò)在硅襯底上的光刻膠（SU-8）模具上模制PDMS（Silpot 184, Dow Corning Inc.）制備的。PBA和液態(tài)金屬基傳感器的微通道均由三層PDMS薄膜鍵合而成。微通道寬為50μm，高為50μm。球形區(qū)域?qū)挾葹?00μm。鍵合的PDMS薄膜配備有PDMS互連。Galinstan（共晶鎵銦錫，Zairyo-ya.com）被注入傳感器的微通道中，并通過(guò)互連線連接。

圖2 集成PBA和液態(tài)金屬基傳感器的微指制造工藝

基于微指的球潮蟲(chóng)測(cè)力實(shí)驗(yàn)

這項(xiàng)研究旨在測(cè)量球潮蟲(chóng)的腿部力和腹部力。測(cè)力實(shí)驗(yàn)的施加壓力設(shè)置為140kPa，可產(chǎn)生15.6mN的力。微指的主動(dòng)傳感被用來(lái)測(cè)量球潮蟲(chóng)的力。研究人員在球潮蟲(chóng)背面施加吸力使其固定。真空鑷子裝置被用于昆蟲(chóng)的固定底座。圖3a顯示了球潮蟲(chóng)腿部力的主動(dòng)傳感，圖3b顯示了腹部力的主動(dòng)傳感。根據(jù)與腿和身體的最佳接觸要求，研究人員調(diào)整了球潮蟲(chóng)的姿態(tài)角，如圖3所示。在腿部力測(cè)量中，球潮蟲(chóng)被設(shè)置為側(cè)向姿勢(shì)，而在腹部力測(cè)量中，它被調(diào)整為仰臥姿勢(shì)。

圖3 利用微指測(cè)量球潮蟲(chóng)的力

球潮蟲(chóng)測(cè)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4顯示了利用微指主動(dòng)傳感測(cè)得的球潮蟲(chóng)的力。圖4a和4b分別顯示了隨時(shí)間變化的測(cè)得的腿部和腹部力。測(cè)量的腿部力小于10mN，如圖4a所示。腿部運(yùn)動(dòng)的頻率大約為0.3Hz。測(cè)得的腹部力超過(guò)10mN，大于腿部力，如圖4b所示。圖4b中腹部運(yùn)動(dòng)的頻率低于腿部運(yùn)動(dòng)的頻率，估計(jì)約為0.03Hz。腿部運(yùn)動(dòng)的頻率遠(yuǎn)高于腹部運(yùn)動(dòng)的頻率。將微指推回的位移量越大，往往會(huì)顯示出更大的力。

圖4 通過(guò)微指主動(dòng)傳感測(cè)得的球潮蟲(chóng)的力

實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的信息可用于圖1b所示的觸覺(jué)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，它將微指作為從屬組件，并與操作員的主接口設(shè)備相結(jié)合。該系統(tǒng)能夠通過(guò)觸覺(jué)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)呈現(xiàn)由微指與昆蟲(chóng)交互獲得的觸覺(jué)。

綜上，基于與人工肌肉執(zhí)行器和觸覺(jué)傳感器集成的柔性微指，研究團(tuán)隊(duì)提出了微機(jī)器人-昆蟲(chóng)交互系統(tǒng)，該技術(shù)是為觸覺(jué)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了球潮蟲(chóng)和微指之間的交互。微指（12mm?×?3mm?×?490μm）作為末端執(zhí)行器，可以移動(dòng)和觸摸昆蟲(chóng)，并且可以檢測(cè)昆蟲(chóng)的反作用力。本文的研究結(jié)果將推動(dòng)對(duì)微小型生物的進(jìn)一步評(píng)估，以及人類(lèi)與環(huán)境交互的技術(shù)發(fā)展。