能夠辨別剪切力和法向力的軟體傳感器可以為機器提供所需的精細控制，以便與人進行安全有效的物理交互。

據麥姆斯咨詢報道，近日，加拿大不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）和日本本田技術研究院（Honda R&D Co., Ltd）的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“Touch, press and stroke: a soft capacitive sensor skin”的論文，提出了一種柔軟且可拉伸的電容式傳感器，可用于感知接近度、法向力和剪切力。

該論文所提出的傳感器由圖案化的彈性體組成，包含固定支柱和滑動支柱，可使傳感器像皮膚本身一樣變形和褶皺。該軟體傳感器利用四個可變形電容器信號的求和求差來區分同時施加的法向力和剪切力。剪切力與法向力之間的串擾小于2.5%，剪切軸之間的串擾小于10%。法向應力和剪切應力靈敏度分別為0.49 kPa和0.31 kPa，最小位移分辨率為40 μm。此外，手指接近度的探測范圍可達15 mm。操作演示在一個簡單的夾持器上進行。這些特點和簡單的制造方法使該傳感器成為人形機器人應用中類皮膚的候選器件。

提出的軟體傳感器和工作原理如圖1所示。一組五個獨立連接的電極用于電容式傳感，使施加到傳感器表面的位移和力能夠在3個維度上解析。四個頂部傳感電極（E1–E4）電容耦合到一個底部接地電極，如圖1A所示，形成電容C1–C4。頂部和底部電極通過直接穿過電介質（X1）和向外突出（X2）的電場進行耦合，如圖1B所示。AD7745電容數字轉換器和多路復用器被用于依次測量每個頂部電極和底部參考之間的電容。這些電容的變化取決于激勵的性質。

人的手指靠近或輕微觸碰傳感器時，會起到虛擬接地的作用，并使投射電場（圖1B中標記為X3）解耦，從而以類似的方式降低所有電容C1–C4。施加壓縮力后，四個頂部有源電極E1-E4都會向底部電極移動，從而使所有四個電容C1-C4（圖1C）增加。沿向右方向施加剪切力會使E3向右移動，增加與底部電極的重疊面積，進而增加C3。E1也將向右移動，減少與底部電極的重疊面積，進而減少C1（圖1D）。該軸上的剪切力對C2和C4的影響很小，因為它們與底部電極的重疊面積沒有改變。C1-C4的這種變化組合是正x軸剪切的特征，并提供了有關剪切大小及其方向的信息。

圖1 軟體傳感器及工作原理

研究人員選擇成本低且適合大規模量產的材料和方法制造該軟體傳感器。一種簡單的模具-圖案化-粘合（MPB）三步驟制造方法如圖2A-2D所示。

圖2 軟體傳感器的制造步驟

軟體傳感器的應力-應變圖如圖3A所示，表明在小應變下有效彈性模量E1較低，而在較大應變下有效彈性模量E2較高，類似于人類皮膚。圖3B-3E展示了傳感器對不同激勵的響應。

圖3 軟體傳感器對不同激勵的響應

研究人員對軟體傳感器進行了表征，結果如圖4所示。

圖4 軟體傳感器的表征

研究人員還對傳感器的物體接近特性進行了表征，傳感器對手指從最大距離為15 mm處接近的響應如圖5A所示，接近的手指如圖5B所示。

圖5 軟體傳感器的接近特性表征

綜上所述，所提出的軟體電容式傳感器可通過基于電容信號的求和或求差來區分法向力和剪切力，并具有方向辨識能力。它還支持接近度探測，并具有類似皮膚的特性。正如Ham等人所探索的那樣，通過使用不同固有剛度的材料以及通過改變特征的幾何形狀和尺寸可以提高探測靈敏度，從而有望實現更小和/或更軟、更高分辨率的傳感器，以及更大和/或更硬、更高力版本的傳感器。

傳感器開發的下一步工作包括將傳感器與控制耦合，以實現對精細物體的操縱。此外，研究人員有望制造和測試傳感器陣列，以形成完整的皮膚，并實現大面積皮膚傳感。在這一領域的成功探索有望使機器人和假肢能夠更有效地與其環境互動。

編輯：黃飛