- ME-SOFS 傳感器能即時感知觸碰並作出反應，無需電子設備。
- 傳感器設計包括多個充滿流體的腔室，能區分不同方向的力量。
- 該系統可在惡劣環境中運行，並提供可測量的電輸出。
- 研究團隊計劃微型化系統，擴展其在機器人應用中的使用。
研究人員開發了一種柔性機械力傳感器，使機器人能夠即時感知觸碰並作出反應，而無需依賴電子設備、計算機或外部電源。該裝置名為 ME-SOFS（機械柔性力傳感器），能將施加的力量直接轉換為流體流動，激活柔性機器人執行器，並創造一個全機械的感知到行動過程。該系統完全由柔性、順應材料製成，消除了傳統電子傳感器和控制電路的需求，從而減少了複雜性和潛在的故障點。來自新加坡國立大學設計與工程學院的團隊的這一創新可能改善在水下、人類體內或其他電子系統脆弱的極端環境中運行的柔性機器人的性能。
傳感器設計與運作原理
ME-SOFS 傳感器是一個三維打印的柔性多孔結構，旨在將觸碰直接轉換為機械動作，而無需電子處理。它的設計特徵包括一個中央支柱，周圍有五個充滿流體的腔室，其中四個水平方向排列，一個垂直排列。當施加力量時，支柱會向接觸點傾斜，壓縮相應的腔室，並通過柔性管道將流體推送至執行器。這樣創造了一個即時的感知到行動的反應，而每個腔室獨立運作，以區別水平方向、側向和垂直方向的力量。
傳感器的敏感度可以通過修改三維打印結構的幾何形狀進行調整。調整孔徑、斜率厚度及中央泡沫的角度等參數，使裝置能夠在不改變其基本操作原則的情況下，檢測到不同強度的力量。
潛在應用與未來發展
該傳感器在無需電子設備的情況下將觸碰轉化為運動，從而使在惡劣環境中運行的柔性機器人更為簡單。除了機械反應外，該系統還通過被動電路產生可測量的電輸出。隨著流體被排出，流體將小磁鐵推過三維打印的金屬弧，通過電磁感應產生電壓脈衝，類似於自行車發電機所用的原理。根據研究團隊的説法，脈衝數量與施加的力量直接相關，提供了清晰的測量，無需電源供電的電子設備。基於流體的設計也為在高要求環境中運行的機器人系統提供了強大的觸覺感測和物理反饋的可能性。
新加坡國立大學設計與工程學院的機械工程系的 Cecilia Laschi 在一份聲明中表示：「這項工作展示了物理身體如何在無需控制系統的情況下產生感官運動行為，這可以視為生物學中神經系統的一種類比。」ME-SOFS 的多功能性在多個柔性機器人系統中得到了證明。一個包含五個微型傳感器的柔性手套，每個傳感器大小約為綠色豌豆，作為一個整體三維打印而成，無需手動組裝。
佩戴在手上時，手套能夠測量每個手指尖的抓取力量，並準確估算物體的重量，突顯了在義肢和先進人機界面中的潛在應用。
團隊還將該傳感器與佩戴於用户指尖的柔性觸覺墊配對，創建了一個基於觸摸的反饋系統。來自機器人夾爪的流體壓力直接傳遞至觸覺墊，使操作者能夠僅通過觸摸來評估抓握的強度，處理從脆弱的雞蛋到木塊再到部分裝滿水的瓶子等物體。記錄的力量模式隨後被重放，以教導機器人自主重複成功的抓取動作。該傳感器還在一個微型流體裝置中控制液滴，並指導類似毛髮的柔性結構，無需軟件。它在水温高達 90°C（194 華氏度）及相當於約 11 米（36 英尺）水下的壓力下保持可靠，並因為不含電子元件而抵抗電磁幹擾。
研究團隊強調，未來的研究將專注於系統的微型化及其驅動力的擴展，以適用於更廣泛的機器人應用。他們還旨在將感測-驅動迴路直接整合進柔性機器人中，使其能夠進行本能反應，同時利用其豐富的力量信號改善在複雜環境中的感知和互動。原始研究發表於《科學進展》期刊。
新型傳感器對機器人技術的影響
ME-SOFS 傳感器的開發標誌著機器人技術的一大進步，因為它能在無需電子設備的情況下進行即時反應，這對於在極端環境中運行的機器人特別重要。這種全機械的感知系統不僅簡化了設計，還減少了潛在的故障點，使機器人更加可靠。隨著未來的微型化和應用擴展，這項技術可能會在義肢和人機界面等領域帶來更多創新，提升人類與機器的互動能力。