大多數(shù)人在聽到“陶瓷”這個詞時，會想到咖啡杯、浴室瓷磚或花盆。但Frank Clemens想到的可不是這些。對于這位瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究院（EMPA）高性能陶瓷實驗室（Laboratory for High-Performance Ceramics）的研究小組負責人來說，陶瓷可以導電，具有實現(xiàn)智能化的潛力，甚至能像人類皮膚一樣，具備“感知”能力。

據麥姆斯咨詢報道，近期，F(xiàn)rank Clemens和他的團隊正在開發(fā)一種基于陶瓷的軟體傳感器材料。這種軟體陶瓷傳感器可以“感知”溫度、應變、壓力、濕度等，這使得其在醫(yī)學和軟體機器人領域都頗具應用價值，相關研究論文以“Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”為題發(fā)表在《先進智能系統(tǒng)》（Advanced Intelligent Systems）期刊上。

基于骨骼肌組織的生物驅動器本體感覺系統(tǒng)的實現(xiàn)：（A）該機械傳感器使用一種壓阻復合材料，被設計為硅橡膠絕緣纖維。該纖維具有諸多優(yōu)勢：良好的傳感性能、在軟體機制中的可集成性、在工程骨骼肌組織中的生物相容性以及在細胞培養(yǎng)環(huán)境中的可操作性；（B）當與生物驅動器組裝在一起時，該機械傳感器顯示出由電刺激觸發(fā)的微運動，并不受外加電場的干擾，并且該機械傳感器信號可用于調節(jié)肌肉電刺激裝置提供的刺激脈沖。

軟體陶瓷——這是如何實現(xiàn)的呢？像Frank Clemens這樣的材料科學家將陶瓷定義為一種無機的非金屬材料，這種材料是通過一種被稱為燒結的高溫工藝，由一堆松散的顆粒制備而成。

陶瓷的成分多種多樣，其性能也會因此發(fā)生變化。但是在Frank Clemens的實驗室里卻看不到陶器和瓷器。研究人員主要使用諸如鈮酸鉀鈉（KNN）和氧化鋅之類的材料，還會用到碳顆粒進行研究。由于這些材料沒有一種是柔軟的，所以為了將它們制成軟體陶瓷傳感器，研究人員將陶瓷顆粒嵌入到可拉伸塑料之中。

Frank Clemens說：“我們研究的是所謂的高填充系統(tǒng)，我們選取一種由熱塑性塑料制成的基質，然后在不影響基質彈性的前提下，盡可能多的往里面填充陶瓷顆粒�！�

如果這種高填充的基質隨后被拉伸、壓縮或暴露于溫度波動的環(huán)境中，陶瓷顆粒之間的距離就會發(fā)生變化，軟體陶瓷傳感器的電導率也會隨之改變。Frank Clemens強調，沒有必要用陶瓷將整個基質填滿：通過3D打印技術，研究人員還可以將軟體陶瓷傳感器作為一種“神經”嵌入軟體組件中。

智能化和選擇性反應

軟體陶瓷傳感器的制造并不那么容易。通常，軟體陶瓷傳感器可以同時對不同的環(huán)境因素表現(xiàn)得很敏感，例如溫度、應變、濕度等。Frank Clemens說：“如果人們想在實踐中使用它們，必須首先明確自己想要測量的物理量是什么�！彼�的研究小組已經成功地制造出只對壓力或溫度有選擇性反應的軟體陶瓷傳感器。

Frank Clemens及其團隊開發(fā)了基于陶瓷顆粒的軟體智能傳感器材料

Christopher Bascucci展示了一種可用于軟體陶瓷傳感器強化的軟體材料

研究人員將這些軟體陶瓷傳感器集成到一只假肢手中。該假肢手能“感知”其手指的彎曲情況，并在接觸到高溫表面時有所察覺。這種“敏感度”不管對于機器人抓取工具還是人類的假肢來說都是一個優(yōu)勢。

瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究院團隊在開發(fā)柔軟的“機器人皮膚”方面更進了一步。這種多層塑料傳感器與人類皮膚類似，能對觸摸和溫差做出反應。

為了評估這些復雜的數(shù)據，瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究院與劍橋大學（University of Cambridge）的研究人員共同開發(fā)了一個人工智能（AI）模型，并使用大約4500次測量所獲得的數(shù)據對其進行了訓練。這也使人們聯(lián)系到人類的感知過程——人類皮膚上的神經沖動在大腦中被評估和推斷。

在他們最近的項目中，研究人員成功地將軟體陶瓷傳感器與人造肌肉相結合。他們與蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）和東京大學（University of Tokyo）的研究人員一起開發(fā)了一種生物混合機器人，該機器人借助柔軟的、具有生物相容性且與組織集成的壓阻式傳感器來識別其收縮狀態(tài)。

人機之間的安全協(xié)作

Frank Clemens說，這樣做的目的是讓人類和機器能夠安全、和諧地協(xié)同工作。他解釋說：“如今的機器人系統(tǒng)體積龐大、笨重，并且‘力量’強大。它們可能會對人類造成傷害”。如果將來我們要越來越多地與機器人共享工作場所，那么它們應該要能對觸碰做出快速而敏感的反應。

Frank Clemens繼續(xù)說：“如果人們不小心觸碰到人類同伴，他會自動縮回手，我們想賦予機器人同樣的反射動作�！�

研究人員目前正在尋找機器人抓取系統(tǒng)領域的工業(yè)合作伙伴。但軟體陶瓷傳感器在醫(yī)學上也有需求——該團隊最近與IDUN Technologies完成了一個瑞士科技創(chuàng)新署（Innosuisse）的項目，在該項目中，他們制造出了用于腦電波測量的軟體電極。

這項工作遠未結束：研究人員希望使他們的軟體陶瓷傳感器變得更加“敏感”和“智能”。這需要將新的陶瓷材料和軟體聚合物相結合，并優(yōu)化軟體陶瓷傳感器性能。這樣研究的成功秘訣在于這兩種成分之間的相互作用。

延伸閱讀：
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
《傳感器技術及市場-2024版》
《觸覺技術及市場-2024版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2024版》
《3D打印材料技術及市場-2022版》
《協(xié)作機器人（Cobot）技術及市場-2022版》