仿生深海离子电子皮肤：面向水下机器人触觉感知的深海触觉传感新策略

《npj Flexible Electronics》：A bioinspired deep-sea iontronic skin for underwater robotic tactile sensing

本刊推荐：针对深海极端静水压力易导致传感器信号失真或损坏，以及难以在数十兆帕压力下检测百帕级接触力的关键挑战，研究人员受深海海绵静水骨骼支撑机制启发，开发了全开孔疏水离子凝胶作为传感层，构建了仿生深海触觉传感器。该传感器将接触力转化为电信号，实现了在50 MPa静水压力下的稳定接触力检测（灵敏度0.667 kPa-1），并借助机器学习对物体硬度分类准确率达95.5%。此项研究为深海勘探与资源可持续开发提供了创新技术。

　　

浩瀚的海洋覆盖了地球表面超过70%的面积，蕴藏着丰富的矿产资源、能源储备和深海生物，对于人类的未来生存与可持续发展至关重要。然而，海洋的极端环境，如极高的静水压力、低温和强腐蚀性，严重阻碍了深海资源的勘探与开发。智能水下机器人，如载人潜水器（HOVs）、自主水下航行器（AUVs）和遥控水下航行器（ROVs），在深海勘探中发挥着重要作用。但为了适应极高的静水压力环境，大多数传统水下机器人被设计成耐压的刚性结构。虽然这些刚性机器人具有耐用性，但在抓取脆弱物体和执行精细操作方面存在局限。更重要的是，缺乏触觉传感系统的机器人难以获取抓取物体的接触力信息，导致无法在极端深海环境中精确操控小而脆弱的物体。因此，开发具有类人感知能力的智能水下机器人系统对于推动深海资源勘探至关重要。

柔性传感器为机器人的灵巧操作带来了巨大便利。各种类型的柔性触觉传感器，如压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电磁式和光学式传感器，已广泛应用于机器人灵巧操作、自适应抓取以及物体分类与识别。然而，在海洋勘探应用中，深海环境的极端静水压力容易使传感器信号失真甚至损坏设备。此外，水下的潮湿环境，尤其是海水中的离子，可能导致传感器的噪声干扰、电路短路和化学腐蚀。这些挑战限制了柔性传感器在海洋条件下的应用。过去几年，研究人员努力探索用于水下应用的柔性传感器的设计与开发。例如，一种柔性“海洋皮肤”被贴附在海洋鱼类表面，用于测量深度、盐度和温度。然而，由于极端静水压力环境的影响，所提出的“海洋皮肤”无法捕获操作力信号。另一种方法采用基于光波导的柔性曲率传感器来监测水下生物的抓取状态，但该传感器在高压静水环境中易受温度变化和光波损耗的影响。研究人员还开发了一种水下水下皮肤，可在最深40米处测量接触力、水深、盐度和温度。一种仿生磁弹性人工皮肤被设计用于在25米水深对海洋垃圾进行分类。此外，先前关于深海触觉传感的研究采用了PVA/柠檬酸抗膨胀水凝胶，但这些材料仅作为支撑结构，缺乏传感功能；而且，由CNT/MXene/PDMS复合功能材料制成的应变传感器在静水压力下表现出显著的信号波动。值得注意的是，现有的水下柔性传感器研究大多局限于浅水场景，而针对深海环境的研究仍然面临显著问题，如材料功能不足和高压下传感性能不稳定。

幸运的是，深海生物在极端环境中繁衍生息，为柔性触觉传感器的设计提供了宝贵的灵感。例如，深海海绵的开孔结构表现出卓越的压力恢复力和吸水性，使其在高压环境中具有独特的结构稳定性。这种开孔设计允许海水渗透到结构内部，平衡内外静水压力，并最大限度地减少整体结构变形。此外，当受到外部接触力时，开孔结构通过从孔中排出海水，能够有效感知结构变形。这种对深海环境的卓越适应性使得类海绵开孔结构特别适合设计能在极端条件下可靠运行的柔性触觉传感器。

在此，我们提出了一种受海绵启发的、疏水的、化学稳定且机械耐用的离子电子触觉传感器。这种仿生深海触觉传感器具有分层结构，包括两个柔性电极层和一个具有疏水类海绵结构的离子凝胶介电层。

仿生全开孔结构的离子凝胶介电层允许在高压水生环境中实现内外静水压力的平衡，保持整体结构完整性。当施加操作力时，骨架内的水通过孔隙被排出。通过测量多孔离子凝胶与海水之间的相对电容变化来实现操作力的检测。我们利用疏水性丙烯酸丁酯（BA）软单体、甲基丙烯酸甲酯（MMA）硬单体和疏水离子液体（ILs）的原位聚合，创建了一种具有均匀网络的共聚物离子凝胶P([BMIM]TFSI-co-BA-co-MMA)。该深海触觉传感器由于其疏水离子凝胶而具有优异的抗溶胀特性，使其不受水生环境的影响，并提供长期的化学、机械、电学和环境稳定性。仿生多孔结构设计使传感器能够在静水压力条件下实现接触力检测。所设计的深海触觉传感器阵列具有良好的抗溶胀性和高静水压力适应性，确保其能在高达50 MPa（对应水深0-5000米）的极端静水压力环境中正常工作，实现了0.667 kPa^-1的接触力检测灵敏度。

在实际应用中，深海触觉传感器用于检测抓取物体产生的接触力信号。随后，接触力信息在机器学习算法的辅助下，用于静水环境中物体硬度的分类，对四种不同硬度物体的识别率达到95.5%。此外，我们还开发了一个带有触觉反馈的闭环人机交互系统，以实现对海洋生物的无损抓取。这种高性能触觉传感器在深海生物采样、能源开发和环境保护方面具有巨大应用潜力。

关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术：1) 通过热引发聚合疏水离子液体[BMIM]TFSI、软单体BA和硬单体MMA，并引入长链交联剂PEGDMA和纳米SiO₂颗粒，制备了具有均匀网络结构和增强疏水性的P([BMIM]TFSI-co-BA-co-MMA)离子凝胶。2) 采用糖模板法结合选择性溶解（去离子水超声）和清洗（四氢呋喃）步骤，制备了仿生全开孔结构的离子凝胶介电层。3) 通过将多孔离子凝胶与柔性电极结合，并使用导电银胶粘结，构建了深海触觉传感器。4) 利用有限元分析（FEA）模拟传感器在静水压力和接触力下的结构变形。5) 搭建了高压舱实验平台（实验室小型压力罐和大型压力舱SHS1500/1000-150S），模拟高达50-100 MPa的深海静水压力环境，进行传感器性能测试和抓取实验。6) 采用一维卷积神经网络（1D-CNN）对抓取过程中采集的多通道时序电容信号（反映接触力变化）进行物体硬度分类。

研究结果

疏水离子凝胶的设计、合成与表征

增强抗溶胀性和抑制离子扩散对于扩展离子凝胶传感器在海洋环境中的应用至关重要。疏水性是实现传感材料水生稳定性的主要手段。研究人员设计了通过聚合疏水离子液体[BMIM]TFSI和疏水聚丙烯酸酯单体P(BA-co-MMA)形成的疏水离子凝胶。该离子凝胶表面存在大量疏水聚合物链，可排斥水分子并形成扩散界面屏障，限制水进入离子凝胶，从而增强其疏水性和抗溶胀能力。离子液体本身的疏水性有助于抑制离子向周围水生环境扩散，而离子凝胶聚合物内部的氢键、离子-偶极和偶极-偶极力等相互作用有效地将离子液体锁定在位。选择长链聚合物PEGDMA作为化学交联剂，形成的网络结构在保持离子凝胶机械性能的同时降低了弹性模量。添加纳米SiO₂颗粒显著增强了离子凝胶的疏水性，使其水接触角达到114.4°。P(BA-co-MMA)共聚物与离子液体[BMIM]TFSI结合制备的离子凝胶表现出更大的响应和更快的恢复时间。长期浸泡实验表明，离子凝胶在去离子水和3.5 wt% NaCl溶液中浸泡后，水接触角略有增加，溶胀率在浸泡3天后降低至4.7%并趋于稳定，单位面积电容（UAC）和电双层电容（C_EDL）也在3天后保持稳定。通过调节交联密度（0.5-2.5 wt%），可以调控离子凝胶的机械性能（如杨氏模量、断裂应变、强度）和电学性能（UAC）。交联密度为1.0 wt%时，离子凝胶在高压下离子液体泄漏可忽略不计，且在2000次35%应变压缩循环中表现出良好的机械稳定性。

仿生结构平衡静水压力

基于疏水离子凝胶策略，研究人员设计了静水平衡结构以制备适用于深海的触觉传感器。受深海海绵开孔结构的启发，充满海水的全开孔离子凝胶结构具有较高的体积模量，表现出对体积变形的显著抵抗力。这种结合了多孔离子凝胶和静水骨骼的结构不受静水压力影响。仿生多孔离子凝胶的骨架与静水骨骼共同支撑传感层，使传感器免受深海静水压力的影响。当接触力施加到电极顶部时，流体从结构中挤出，导致多孔离子凝胶传感层的体积变化；撤去接触力后，离子凝胶骨架的弹性使液体流回多孔结构，恢复其原始形状和体积。有限元分析（FEA）和高压舱实验表明，在50 MPa静水压力下，固体结构离子凝胶传感器发生显著变形且电容信号无法恢复，而多孔结构传感器在整个加压和减压过程中初始电容保持不变，且在不同接触力下，其电容响应随静水压力增加波动小于1%，表现出卓越的稳定性。这主要归因于其多孔结构内部和外部静水压力的平衡机制，将环境干扰降至几乎为零。

深海触觉传感器的性能表征

深海触觉传感器基于离子凝胶和水生介质两种电介质之间的相对电容变化来检测接触力。传感器的总电容是电极界面处由多孔离子凝胶和水生电介质产生的所有微电容的并联组合。加载时的响应主要源于与电极接触的多孔离子凝胶的结构变形。接触力导致多孔离子凝胶接触面积增加，使其电容（C_PIG）增大，同时凝胶孔隙收缩排出海水，使水生环境的电容（C_seawater）减小。传感器电容的整体变化等于变形的多孔离子凝胶增加的电容与水生环境减少的电容之差。基于Ashby等效理论建立了传感器响应的理论模型，描述了接触压力与响应电容之间的定量关系。实验测得该传感器在水生环境中的灵敏度在0-10 kPa工作压力范围内为0.667 kPa^-1，且电容响应与接触压力呈良好线性关系（R²=0.9977）。传感器在不同压力（0.4, 1.2, 2.4, 4.8 kPa）下具有高度可重复的响应曲线，在不同压力（0, 0.5, 3, 5, 8, 10 kPa）的步进加载和卸载阶段信号一致，表现出优异的鲁棒性。传感器的响应时间小于180 ms，恢复时间小于200 ms。经过5000次4 kPa的加载-卸载循环后，传感器信号无明显漂移或波动，显示出优异的机械耐久性。该传感器在空气环境、盐水介质和天然海水中均能灵敏检测接触力。

深海触觉传感系统的应用

研究人员开发了深海触觉传感系统，将其直接安装在机械臂的夹持器上，以增强机器人对精细水下任务的感知能力。通过一个3x3阵列传感器演示了其应用，该传感器能够检测微小施加压力（如50g重量）。将触觉传感器阵列集成到软体机器人夹持器中，抓取海参、扇贝和蛏子等不同形状和硬度的海洋生物时，传感器表现出不同幅度的电容响应。抓取实验证实，传感器信号随物体硬度和重量的增加而增加，可以轻松区分不同材料。在10 MPa静水压力下进行的抓取实验表明，传感器在抓取相同尺寸但不同硬度（泡沫、Ecoflex-10、Ecoflex-30、PDMS，肖氏硬度分别为2 HA、10 HA、30 HA、43 HA）的物体时，其响应幅度随物体硬度增加而增加，且与无静水压力条件下的响应幅度一致，证明所设计的深海触觉传感器不受静水压力影响。利用1D-CNN对抓取过程中产生的9通道时序电容信号（反映接触力变化）进行物体硬度分类，对四种标准化尺寸物体的整体识别准确率达到95.5%。此外，开发了一个用于水下抓取的闭环反馈控制系统，该系统集成手势识别模块（数据手套）、机器人（软体夹持器）和环境。实时接触力信号作为反馈，当接触力达到预定目标值时，系统控制夹持器停止抓取动作，实现了对纸杯、海参等脆弱物体的水下无损抓取。

结论与讨论

本研究提出了一种仿生深海离子电子触觉传感器，用于在深海环境中精确测量接触力。受深海海绵启发，开发了一种静水骨骼支撑的开孔结构，平衡了环境静水压力并提高了传感灵敏度。基于这种创新结构提出了一种新的传感机制，即多孔离子凝胶与环境介质并联形成功能传感层，通过两种电介质之间的相对电容变化来测量接触力。建立了分析模型以准确描述和预测深海触觉传感器的传感机制，阐明了接触力与响应电容之间的定量关系。特别地，开发了一种用于传感层的水生稳定疏水离子凝胶，在海水浸泡10天后仍表现出稳定的机械和电学性能。与先前的深海柔性传感器相比，所开发的深海触觉传感器不受50 MPa（约5000米水深）静水压力的影响，同时保持0.667 kPa^-1的灵敏度，可实现精确的接触力测量。此外，利用1D-CNN机器学习方法，深海触觉传感器成功实现了水下物体识别与分类，在10 MPa静水压力下对四种材料的分类准确率达到95.5%。所开发的闭环人机交互系统成功演示了对纸杯、海参、扇贝和蛏子等多种物体的无损抓取。这种触觉反馈系统显著扩展了深海触觉传感器在海洋环境中的适用性，允许与脆弱的生物样本进行更精确和灵敏的交互。这项研究为水下机器人的触觉感知和无损操作提供了创新技术，相信所设计的仿生深海触觉传感器能为海洋资源的可持续发展和保护做出重要贡献。该研究发表于《npj Flexible Electronics》。