柔性觸覺傳感器，柔性觸覺傳感器可以隨機械手靈活彎曲，和剛性機械手構成“剛柔并濟”的類人結構，因此能夠“類人化”感知目標物的形狀、表面紋理和模量等多維物理信息，是水下機器人通過機械手開展精細化和交互式作業的關鍵部件。當前柔性觸覺傳感器大都采用封裝的方式，用于防止內部傳感部件與外界海水相通，這導致高靜水壓力會使柔性材料變硬，從而降低傳感器的靈敏度甚至失效。因此，亟需通過原理和結構創新研究，突破現有技術瓶頸，推動高靈敏度深海觸覺感知技術的發展。
近期，大連海事大學宋永欣教授團隊在《Small》期刊發表了題為：“TPU/MOFs Electrospun Composite Film for Underwater Tactile Sensing and Finger Joint Bending Monitoring”的研究文章，該文章針對持續提高課題組先前開發的多孔薄膜靜壓平衡式水下觸覺傳感器靈敏度和可拉伸性問題需求，通過添加MOFs來引入-COOH官能團和使用靜電紡絲工藝來增加薄膜的孔隙率等方式，使傳感器的靈敏度和可拉伸性能得到顯著提升。在此基礎上，成功將TPU/MOFs傳感器應用于水下手指彎曲角度監測和被抓物體形狀識別，為水下觸覺感知和機器人抓取作業提供了新思路。該工作得到了國家自然科學基金項目支持。
為提升薄膜的孔隙率，該工作使用靜電紡絲工藝制備了TPU/MOFs薄膜，添加的具有高比表面積和納米孔徑（4.8-7.4?）的MOFs-801粉末，不僅進一步提高了TPU/MOFs薄膜的孔隙率，而且引入的-COOH基團顯著提升了傳感器的靈敏度。采用氮氣吸附結合Barrett-Joyner-Halenda（BJH）模型以及Harkins-Jura厚度模型對TPU/MOFs膜的孔徑分布進行了分析，結果表明多孔TPU/MOFs膜中介孔分布較為均勻，吸附和脫附過程中的平均孔徑分別為11.8nm和9.14nm，說明介孔與部分大孔共存。此外，還存在少量孔徑約為220nm的大孔，這種多層次的多孔結構有利于增大不同電性離子濃度差，從而提升傳感靈敏度。
圖1. TPU/MOFs薄膜制備及表征過程。(a) TPU/MOFs薄膜制備過程；(b) 靜電紡絲孔結構SEM表征；(c) TPU ECF和TPU/MOFs ECF的FTIR光譜；(d) BJH方法計算的孔徑分布
該工作系統性研究了TPU/MOFs薄膜自身因素，如MOFs-801濃度和孔隙率對傳感器性能的影響。研究結果表明，傳感器信號幅值隨MOFs-801濃度和孔隙率的增加而增大，與 TPU ECF 相比，含有10 wt.%、20 wt.%和30 wt.% MOFs-801薄膜的信號幅值分別增加了79.46%、111.54%和167.74%。此外，傳感器信號幅值隨按壓面積的增大而增大，信號的方向和幅值取決于按壓或拉伸位置，據此特性可確定觸壓位置。此外，傳感器還表現出較好的抗疲勞性，在 600 kPa 的外部載荷下，經過1400多次循環后傳感器仍能正常工作。
圖2 (a) 溶劑澆筑顆粒浸出法和靜電紡絲工藝制備的薄膜；TPU/MOFs 傳感器性能與 (b) 按壓力度、(c) 按壓位置、(d) 孔隙率、(e) MOFs-801濃度的關系；(f) 傳感器耐久性測試
本工作還研究了離子濃度、水流流速、傳感器浸泡時間和靜水壓對TPU/MOFs傳感器性能的影響。實驗結果表明：隨著NaCl溶液濃度的增加，電流幅值先增大后減小；但傳感器基本不受水流影響，在175 kPa時僅有約2.75%的偏差；未更換電極而浸泡4個月的傳感器電流幅值下降了8.2%，這表明性能衰減主要來源于銅電極的氧化（5.6%），而MOFs-801水解的影響相對較小。當水深從0m增加到100m時，信號幅值僅下降約10.38%；傳感器的信號幅值先隨拉伸長度的增加而增大，繼續增大拉伸長度，信號幅值不再增加。
圖3 TPU/MOFs復合薄膜傳感器性能與 (a)溶液離子濃度、(b) 水流流速、(c) 浸泡時間、 (d-f) 靜水壓大的關系。
作者利用該信號的幅值和方向與薄膜拉伸位置和拉伸長度相關的特性，將其安裝在機械手指上，用于手指彎曲角度監測和被抓物體形狀識別。作者首先將手指彎曲角度與彎曲產生的幅值進行標定，之后在抓取過程中，根據手指彎曲產生的電信號幅值反推出彎曲角度，通過構造橫縱輪廓線，分析其曲率并擬合出物體的曲面，從而完成手指彎曲角度監測和形狀識別，并演示了OK手勢、抓取球體和圓柱體。
圖4. 水下手指彎曲角度監測及形狀識別
論文信息：TPU/MOFs Electrospun Composite Film for Underwater Tactile Sensing and Finger Joint Bending Monitoring, Small, 2025, e10062.
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202510062
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