科研進(jìn)展
重慶研究院在超低噪聲準(zhǔn)二維隧穿傳感器應(yīng)用于精細(xì)觸覺識別研究中取得進(jìn)展
時(shí)間：2025-05-22編輯：機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)中心
智能機(jī)器人執(zhí)行超精細(xì)操作任務(wù)時(shí)，在復(fù)雜環(huán)境中通過觸覺辨別細(xì)微壓力（如流體環(huán)境）是一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)瓶頸。盡管高靈敏度柔性觸覺傳感器已有大量研究報(bào)告，但由于柔性傳感器易受到本征噪聲的限制，在實(shí)際應(yīng)用中的壓力分辨率水平仍難以滿足需求。
近日，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)中心在《ACS Nano》期刊上以“Superlow-Noise Quasi-2D Vertical Tunneling Tactile Sensor for Fine Liquid Dynamic Recognition”為題發(fā)表論文。受人體指尖默克爾細(xì)胞啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種共形石墨烯納米墻-六方氮化硼-石墨烯（CGNWs-hBN-Gr）準(zhǔn)二維垂直隧穿觸覺傳感器，利用hBN隧穿通道模擬PZ蛋白的生物機(jī)械門控離子通道，通過微納米多尺度力敏界面實(shí)現(xiàn)了原子層間隧穿電流的宏觀調(diào)控（見圖1）。此外，hBN蓋層和隧穿效應(yīng)可以有效抑制陷阱電荷從而降低器件1/f噪聲。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該傳感器靈敏度高達(dá)1.99 ×106 kPa-1，在10 Hz 頻率下的噪聲功率譜密度僅為 2.2×10-24 A2/Hz，噪聲等效壓力（NEPr）低至7.96 × 10-3 Pa，信噪比高達(dá)68.76 dB。團(tuán)隊(duì)建立了機(jī)器人指尖液體識別系統(tǒng)，通過對比COMSOL仿真與實(shí)際測試數(shù)據(jù)，成功捕捉到液體接觸過程中的微動態(tài)特征。配合過渡感知上下文注意力網(wǎng)絡(luò)（TacAtNet）模型實(shí)現(xiàn)不同溶液甚至同一溶液的不同濃度的識別，在不同濃度的酒精（0%、25%、50%、75% 和 99%）中識別率高達(dá)98.1%。這項(xiàng)技術(shù)大幅增強(qiáng)了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的感知能力，為下一代機(jī)器人的先進(jìn)應(yīng)用提供了保障。
中國科學(xué)院重慶研究院博士研究生程觀銀為論文第一作者，魏大鵬研究員為論文通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和重慶市科技局項(xiàng)目的資助。
圖1. 仿生觸覺傳感結(jié)構(gòu)和感知過程。(a) 人類指尖觸覺傳感系統(tǒng)。(b) 準(zhǔn)二維垂直隧道觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)和感知過程。
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