Advanced Materials:应用于智能机器人和个性化医疗的自驱动高精度角度新型传感器

过去的数十年见证了角度传感技术的迅速发展:以光电式,电磁式和惯性测量单元为代表的角度传感器层出不穷,它们的传感性能也在历次技术革新中被不断提高。这些角度传感器作为精准运动测量的主要单元极大地促进了包括机器人,工业控制,人工智能在内的诸多领域的蓬勃发展,但这些传感器不同程度地受限于功耗高,体积大,测量精度有限等弊端。随着微纳米技术的发展,通过对新材料、新原理的运用,大量的传感器技术不断涌现。其中,自驱动传感技术是基于麦克斯韦位移电流的纳米发电机的重要应用之一,具有高精度、低功耗、轻薄等突出优势,是面向未来更加信息化的物联网时代,和更加智能化的个人健康护理所不可或缺的核心技术。

利用摩擦纳米发电机(TENG)技术,中科院北京纳米所的王中林院士团队通过在基底上引入两组同轴排列但存在一定角度差的TENG制备了一款高性能的自驱动角度传感器(SPAS)。SPAS可将旋转运动直接转换为一组具有相位差的电压信号输出,且在经过系统的结构优化后,传感信号的峰峰值可达~120V,同时信噪比高达98.69 dB。因此不仅SPAS信号的产生不需要额外的电能供应,而且产生的信号不需要集成电路模组进行放大处理,这使得器件的整体结构得到进一步简化。对SPAS的传感信号进行分析处理后,可实现1°的角度分辨率,同时在其线性敏感区内可实现高达2.03 纳弧的极限角度分辨率,通过微纳加工工艺制备更为精细的电极结构或研制更为高效的起电材料还可将SPAS的角度分辨率进一步提高。

此外SPAS质轻 (11.1 g)与超薄 (1.87 mm)的优点,使得SPAS可以轻松地嵌入多种器件同时不影响它们的正常运动,极大地拓宽了应用的范畴。在机器人领域,作者展示将SPAS与机械臂结合后,能够利用SPAS将机械臂书写“Nano”这一单词时的实时角度数据记录下来,随后将这些角度数据反馈给机械臂执行即可将前述书法过程精准地复现。同时作者还展示了SPAS在个人康复领域的应用:将SPAS与常见的医疗支具结合后可对佩戴者的膝盖屈曲角度进行实时主动监测,监测结果可通过微处理器以蓝牙的方式传输至移动端APP上进行实时数据记录与动画展示。相关数据有利于医生准确掌握患者当前的康复情况,并为后续康复计划的个性化制定提供可靠依据。该项研究为智能机器人的传感与控制,智慧医疗/主动健康领域等带来了新原理和新思路,具有广阔应用前景。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001466)上。