[论文解读] An Ultrasensitive 3D Printed Tactile Sensor for Soft Robotics

Saeb Mousavi, David Howard+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Advanced Sensor and Energy Harvesting MaterialsEngineering参考文献 1被引用 16

一句话总结

本文提出一种使用熔融沉积成型（FDM）技术、热塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸-石墨烯（PLA-G）丝材3D打印的压阻式触觉传感器。该传感器具有极高的灵敏度（gauge factor ~550），在弯曲应变下恢复性能优异，可实现高分辨率压力检测，适用于柔性机器人应用。

ABSTRACT

A new method is presented to manufacture piezoresistive tactile sensors using fused deposition modelling (FDM)printing technology with two different filaments made of thermoplastic polyurethane (TPU) and polylactic acid-graphene (PLA-G) composite. The sensor shows very high sensitivity (gauge factor~550) and excellent recovery to bending-induced strain and can detect a wide range of pressures. This new technology opens the door for 3D printing soft robotic parts capable of tactile communications.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、增材制造的触觉传感器，适用于集成到柔性机器人系统中。
• 解决在动态环境中实现3D打印触觉传感器高灵敏度与高耐久性的挑战。
• 通过可扩展、可定制且可打印的传感解决方案，实现在柔性机器人中的触觉反馈。
• 展示在FDM 3D打印中使用导电复合丝材（PLA-G）实现高性能触觉传感的可行性。
• 在机械变形（尤其是弯曲引起的应变）下实现可靠的长期运行，具备强大的恢复能力。

提出的方法

• 采用熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，使用两种丝材制造触觉传感器：热塑性聚氨酯（TPU）用于结构柔韧性，聚乳酸-石墨烯（PLA-G）复合材料用于导电性。
• 设计具有多孔或网格状内部结构的3D打印传感器结构，以增强对压力变化的敏感性。
• 利用压阻效应：机械应变改变导电PLA-G丝材之间的接触电阻，产生可测量的电信号。
• 优化丝材成分与打印参数，以实现高导电性与机械韧性。
• 在不同压力和弯曲条件下进行机械测试，以评估灵敏度与恢复性能。
• 将gauge factor作为关键性能指标，定义为单位应变下电阻的相对变化，用于量化灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用FDM技术3D打印的触觉传感器能否在保持机械鲁棒性的同时，实现与传统传感器相当的高灵敏度？
• RQ2 PLA-G复合丝材的引入如何影响3D打印触觉传感器的电学与力学性能？
• RQ3 传感器在经历多次弯曲或压缩循环后，其电学响应能恢复到何种程度？
• RQ4 仅通过增材制造和市售丝材，传感器能否以高分辨率检测广泛的压力范围？
• RQ5 使用TPU和PLA-G复合材料制造的3D打印压阻式触觉传感器，其最大可实现的gauge factor是多少？

主要发现

• 传感器实现了约550的gauge factor，表明其对机械应变具有极高的灵敏度。
• 在多次弯曲和压缩循环后，传感器表现出优异的恢复性能，电学输出保持一致。
• 由于PLA-G复合材料的非线性压阻响应，传感器能够检测从低到高的广泛压力范围。
• 3D打印工艺可实现复杂、可定制的传感器几何结构，并集成导电通路。
• 使用PLA-G复合丝材可在保持TPU基体机械柔韧性的同时，实现有效的导电性能。
• 传感器性能已在ICRA2018的海报展示中得到验证，展示了其在实际柔性机器人应用中的潜力。