導讀
據新加坡國立大學官網近日報導，該校科研團隊開發出一系列新型納米材料應變傳感器，比現有技術在測量微小運動時靈敏度高出10倍以上，朝著改善工業機器人手臂的安全性和精度邁出了第一步。
背景
近年來，MXene 成為了備受學界廣泛關注的一種新材料。它是材料科學中的一類二維無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。
MXene 材料最早是在2011年由美國德雷克塞爾大學的 Yury Gogotsi 教授和 Michel Barsoum 教授共同指導博士生 Michael Naguib 通過HF選擇性刻蝕 MAX 相中的A原子層製備得到。最早被實驗製備也是目前研究最多的一類 MXene 就是Ti3C2Tx。
剝離的 Ti3AlC2 形成兩層羥基封端 MXene 模型（圖片來源：M. Kurtoglu）
MXene 的其獨特之處在於，能與液體（例如水和其他有機溶液）混合，同時保持導電性。因此，MXene 可應用於能量存儲設備、電磁屏蔽、水過濾、化學感知、結構加固以及氣體分離等多個領域。
塗有 MXene 的織物可以阻擋電磁波和潛在的有害輻射。（圖片來源：德雷塞爾大學）
由 MXene 噴塗而成的超薄天線（圖片來源： 德雷塞爾大學）
創新近日，新加坡國立大學（NUS）助理教授陳寶仁（Chen Po-Yen） 領導的科研團隊開發出一系列新型納米材料應變傳感器，比現有技術在測量微小運動時靈敏度高出10倍以上，朝著改善工業機器人手臂的安全性和精度邁出了第一步。
採用柔性、可拉伸的導電納米材料「MXene」製造而成，NUS 團隊開發的這些新型應變傳感器是超薄、無電池的，並且可以無線傳輸數據。有了這些理想的特性，新型應變傳感器有望廣泛應用於各個領域。研究團隊花了兩年時間開發出這一突破性成果，並於2020年9月在《ACS Nano》科學期刊上發表了他們的工作。他們還擁有在柔性機器人康復手套中應用柔性外骨骼的工作原型。
（圖片來源：NUS）
NUS 化學與生物分子工程系助理教授陳寶仁解釋道：「傳統應變傳感器的性能受制於所採用的感應材料的性質，用戶在為特定應用定製傳感器時的選擇有限。在這項研究中，我們開發了一種簡便的策略，以控制 MXene 的表面紋理，這就使我們可以為控制各種柔性外骨骼的應變傳感器的感應性能。」這項工作中開發的傳感器設計原理，將顯著改善電子皮膚和軟體機器人的性能。下圖所示：博士生 Yang Haitao （中）展示了嵌入新型應變傳感器（性能更好、靈敏度更佳）的柔性機器人康復手套，副教授 Raye Yeow （左）和助理教授 Chen Po-Yen 在旁觀。
（圖片來源：NUS）
技術新型應變傳感器可以得到很好利用的一個領域就是精密製造。在這個領域中，機器人手臂用於開展複雜任務，例如製造易碎的產品（如微晶片）。NUS 研究人員開發的這些應變傳感器可以塗覆在機器人手臂上，就像電子皮膚一樣，用於測量機器人手臂拉伸時的細微運動。當沿著機器人手臂的關節處放置時，這些應變傳感器使系統可以準確理解機器人手臂移動了多少，以及它們當前相對於休息狀態的位置。目前現成的應變傳感器的精度和靈敏度尚未達到執行這項功能的要求。
在精密製造中使用的傳統自動化機器人手臂，需要外部攝像頭從不同角度瞄準它們，來幫助追蹤它們的位置和運動。NUS 團隊開發的超靈敏的應變傳感器提供了對於精準運動的自動反饋（誤差小於1度），將有助於改善機器人手臂的整體安全性，並且無需外部攝像頭，因為它們無需任何視覺輸入就可以追蹤位置和運動。瑞昱新加坡（Realtek Singapore）公司董事長 Yeh Po-Leh 博士表示：「瑞昱新加坡公司很高興與陳寶仁教授及其在 NUS 的團隊合作開發適用於軟體機器人和工業機器人手臂的無線傳感器模塊。我們共同開發的具有客戶指定感測性能的無線傳感器，允許機器人開展高精度運動，並且可以無線傳輸反饋的感應數據，這與瑞昱新加坡公司在無線智能工廠中的方案聯繫緊密。Realtek 將繼續與 NUS 建立牢固的合作關係，我們期待將這項技術從實驗室帶向市場。」
這個技術性的突破就是生產工藝的發展，這使 NUS 研究人員可以在寬工作窗口內創建具有高信噪比的高度可定製的超靈敏傳感器。傳感器的工作窗口確定了它可以伸展的程度，同時仍舊保持其傳感品質，並且具有高信噪比意味著更高的精度，因為傳感器可以區分機械臂的細微振動和微小運動。
這個生產工藝，使團隊可以將傳感器定製為0％到900％之間的任何工作窗口，同時保持高靈敏度和信噪比。標準傳感器通常可以達到100％的範圍。通過將具有不同工作窗口的多個傳感器組合在一起，NUS 研究人員可以創造出單個超靈敏傳感器，否則將無法實現。新加坡國立大學生物醫學工程系軟體機器人實驗室負責人、國家機器人研發計劃辦公室的軟體和混合機器人開發項目的領頭人 Raye Yeow 副教授表示：「這些先進的柔性傳感器使我們的柔性可穿戴機器人具有重要的能力，可以感知患者的運動表現，尤其是在運動範圍方面。這將最終使得軟體機器人能夠更好地了解患者，並為他們的手部動作提供必要的幫助。」
該團隊還希望提高傳感器的功能，並與新加坡中央醫院合作，探索在柔性外骨骼機器人中的應用以及在經口手術的手術機器人中的應用。新加坡中央醫院、耳鼻咽喉頭顱外科高級顧問 Lim Chwee Ming 博士表示：「作為外科醫生，我們不僅依靠視覺，還依靠觸覺來感覺到我們進行手術的身體內部區域。例如，癌變組織感覺與正常健康組織不同。通過在超長的機器人工具中添加超薄無線傳感模塊，我們可以在人手無法觸及的區域進行操作，而無需進行開放式手術就可以『感覺』到組織的剛度。」
關鍵詞
軟體機器人、外骨骼、傳感器、電子皮膚
參考資料
【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