基于?鱼启发的传感吸盘：实现空水环境机器人可靠吸附与实时力感知的创新设计

本文报道了一种受?鱼吸附结构启发的仿生传感吸盘，通过集成液态金属微通道传感器阵列（间隔90°排布），实现了对吸盘唇缘变形的实时监测，可有效评估吸附状态与力分布。该设计优化了吸盘形态学特征，提升变形灵敏度，传感器在空气和水下环境均表现稳定，具备2°弯曲分辨率且经1000次循环测试仍保持良好重复性。研究证实四向传感器阵列可反映吸附状态与水平力检测，为空水两栖机器人（UAV）提供泄漏检测、横向扰动感知和环境触觉传感能力，显著增强机器人在复杂环境中的适应性与操作可靠性。

　　

摘要

?鱼吸附机制为机器人持久作业提供了革命性解决方案。本研究通过模仿?鱼背鳍进化出的吸盘结构，开发了一种具备实时感知能力的仿生传感吸盘。该吸盘采用液态金属微通道传感器，以90°间隔排布于唇缘，可精确监测变形状态，进而评估吸附力分布与环境扰动。经性能测试，传感器虽呈非线性响应但具备高度重复性，分辨率达2°，且在1000次循环后仍保持稳定。实验证明该设计可有效实现泄漏检测、多向力感知与水下触觉探索，显著提升机器人在空水复杂环境中的作业可靠性。

1 引言

轻量化机器人（如无人机UAV）因其体积小、重量轻、成本低和机动性强，在农业监测、智能物流和城市巡逻等非结构化自然环境中展现出巨大潜力。然而，其续航能力受限于机载电池容量。为提高无人机耐久性，研究者探索了多种方法，包括高效电池开发、混合动力系统、路径优化及空中能量收集等。

受自然界动物吸附行为的启发，研究人员开发了多种仿生吸附方法，如仿鸟足、仿壁虎、微棘结构和吸盘吸附等。此外，还有通过纤维粘合剂和静电吸附等结构吸附方式。然而，现有多数吸附方式难以在水下光滑、运动或倾斜表面（如船体或海洋生物）上可靠吸附，且在强流体动力作用下易失效。

感知能力在吸附机器人中至关重要。环境扰动（如水流或气流）可能破坏吸附状态，导致安全风险或设备损坏。因此，实时吸附状态监测具有重要理论与实用价值。

吸盘是水下抓取与吸附系统中常用的一种机制。许多海洋生物拥有高效的生物吸盘，如头足类动物（章鱼、鲍鱼）、鱼类（?鱼、喉盘鱼）、环节动物（水蛭）和昆虫（摇蚊）等。这些生物吸盘通常表现出显著的吸附强度与表面适应性。基于这些生物特性，研究人员开发了多种用于吸附与抓取的仿生吸盘。

部分研究已将传感功能集成于吸盘中，使其能够有效获取被抓物体或环境信息。按传感原理与使用特性，主要可分为光学型、压力与气流测量型、电阻型、电容型和摩擦电型。然而，常规压力和气流传感器通常不适用于水下环境，而电容与摩擦电型易受复杂水下环境干扰。集成光学或电阻传感器的吸盘更适用于水下环境。光学传感器又可分为两类：一类基于激光雷达（Lidar）原理，使吸盘能够检测接近信号，但难以感知吸附过程中的力方向性，且浑浊水域可能干扰光学信号；另一类依赖于接触力引起的光信号变化，虽仅限于接触感知，但能更好地检测施加力的方向性。电阻传感器仅能通过吸盘变形检测接触信号，但其体积小、易集成、信号读取简单，适合阵列布置于吸盘上以实现定向力感知。

?鱼是一种独特鱼类，其背鳍进化成吸盘，可吸附于鲨鱼、海龟等海洋生物上以节省游动能量。该吸盘在流体动力干扰下仍能保持稳定吸附。此外，?鱼吸盘唇部表面嵌有推杆式机械感受器复合体，用于监测吸附状态并优化吸附性能。

受?鱼启发，本研究设计并制造了一种仿生传感吸盘，复制其吸附机制。其几何形态基于?鱼的形态特征，结合薄片、小棘和软接触膜，显著提高了摩擦力和表面适应性。本研究将四个液态金属传感器以90°间隔嵌入吸盘唇部，以检测不同方向的唇缘变形，进而推断吸盘的吸附状态与受力情况。传感集成赋予吸附吸盘两大优势：一方面，实时吸附监测可及时响应干扰或泄漏，确保稳定吸附；另一方面，环境反馈提高了对各种表面和条件的适应性。该能力还有助于智能姿态调整与节能运动规划，最终提升系统自主性、适应性与任务可靠性。

2 结果

2.1 传感吸盘的设计与制造

2.1.1 传感吸盘设计

?鱼吸盘使其能够吸附于海洋动物，减少流体阻力并节省运动能量。该吸附结构是其背鳍的进化适应，鳍骨转化为扁平薄片，固定于?鱼头骨上，并衬有小棘以增强吸盘与接触表面间的摩擦力。薄片外围进化成柔软肉唇，负责吸附。

以往对?鱼的研究主要集中于它们如何利用吸盘吸附于大型快速移动宿主，很少关注?鱼是否能感知吸附状态。随着对生物?鱼的深入研究，Cohen等发现?鱼吸盘软唇中嵌有推杆式机械感受器复合体，其对接触和剪切力产生响应。这些机械感受器复合体可检测吸盘与宿主间的吸附接触力（由吸附压力与软唇组织弹性恢复力共同作用产生），还可检测吸附接触表面的剪切力，有助于维持吸附。推杆式机械感受器复合体仅分布于吸盘内侧，沿整个唇部分布，且前端密度显著高于后端。

受生物?鱼启发，本研究设计了仿生?鱼吸盘作为传感吸盘主体，主要包括刚性基板、软唇及一些薄片和小棘。形态设计基于生物?鱼的尺寸比例。例如，生物?鱼吸盘并非完全对称，其进化出前窄后宽的形态以抵抗水流力。吸盘与接触表面间的摩擦也至关重要。受?鱼启发，仿生薄片和小棘被添加至吸盘中，小棘从头至尾呈一定角度，增强吸附过程中的摩擦力，尤其在头尾方向水流干扰下。先前对仿生?鱼吸盘的研究表明，较高唇部硬度可增加吸附力但降低表面适应性。为平衡吸附强度与表面适应性，在接触表面添加了硅胶软膜。该设计结合相对刚性唇部与相对柔软接触层，增强了吸附能力与适应性。在多种纹理和粗糙表面（如桌面、实验台和铁柜）上进行的吸附测试表明，配备薄片、小棘和软膜的吸盘能够在非光滑表面上实现有效吸附。

为实现空气和水下环境中稳定的多向力传感，参考先前将电阻传感器集成于吸盘的研究，本研究采用附着于吸盘软唇外侧的电阻传感器，检测正常或切向载荷下唇缘变形引起的电阻变化。此外，吸盘的吸附状态与横向干扰可从传感器信号中推断。传统弯曲应变计在唇部大变形下易失效，因此需采用更柔性传感器。液态金属传感器具有高柔性与敏感性，能够通过检测液态金属电路中的电阻或电容变化来感知环境条件。液态金属微通道传感器是一种广泛使用的电阻式力传感器，外力条件可通过微通道内流体电阻的变化来表示。此类传感器可用作压力、应变和剪切力传感器。本研究提出一种电阻式液态金属微通道传感器，将唇部变形转化为可测量电阻变化，从而表征吸盘上的受力情况。

未修改唇部的横截面变形对附着液态金属微通道传感器的影响较小。实验表明，直接将传感器嵌入或附着于吸盘唇部表面无法产生可测量电阻变化。为放大唇部横截面变形，在吸盘外侧设计了一个凹口，以在吸附过程中集中应力与应变。传感器附着于凹口位置，其变形得到增强。通过ABAQUS进行有限元分析，仿真结果表明在相同变形条件下，带凹口设计的应力集中效应比无凹口设计高四倍以上。基于仿真数据，进一步优化了凹口的尺寸参数。

本研究还在传感吸盘内布置了多个液态金属传感器单元。传感器以90°间隔附着于软唇周围（前、后、左、右）。对这些传感器信号的解耦分析能够确定作用于吸盘的法向与切向力，从而完整表征其吸附状态。

2.1.2 传感吸盘的制造与系统集成

本研究采用 additive direct writing 制造图案化液态金属微通道传感器。过程如下：首先使用AutoCAD软件创建液态金属传感器的图案设计；通过商用液态金属打印机（Dream Ink, DP-1）将图案直接沉积于PET薄膜基底上；使用硅胶封装并固化4小时；通过-140°C冷冻并剥离PET薄膜将图案转移至硅胶；连接柔性印刷电路板（FPCB）端子；用硅胶封装；最后通过成型和密封完成传感器。由于手工制造，传感器存在微小差异，平均初始电阻约0.80Ω，厚度约1.19mm。

吸盘的整体制造方法如下：首先3D打印PLA基板；吸盘基板与用于铸造硅胶唇的模具均采用PLA基3D打印制造；模具由上下两半组成，上模形状定义吸盘的凹口结构；铸造前在模具表面涂抹商用脱模剂（Ease Release 200）；将模具与基板组装，将硅胶（Guoyuan E630，A、B部分以1:1混合）倒入模具中，室温下形成吸盘唇部；硅胶固化约4小时；移除模具获得吸盘主体；涂抹硅胶密封剂以增强唇部-基板连接；接下来使用Ecoflex 00-10铸造软膜，一侧空气固化光滑，一侧接触模具粗糙；粗糙侧使用密封剂粘结于唇部内表面；仿生薄片通过3D打印制造，激光切割人工小棘组装于其上，并使用瞬间粘合剂固定于基板；最后，使用硅胶粘合剂将液态金属传感器固定于吸盘外侧凹口。

为确保系统完整性并实现吸盘的实际应用，开发了专用信号采集设备。该设备具有两大优势：1) 紧凑外形适合密封与机器人集成；2) 高灵敏度，可测量低电阻液态金属电路中的电阻变化。系统核心基于STM32微控制器，集成定制外围模块进行数据采集；通过FPCB线路将传感器电阻连接至电压分压电路；使用模数转换器（ADC）模块读取电位差，并根据欧姆定律计算电阻值；最后对信号进行初步处理，并通过串行通信将数据传输至上位机。信号采集系统进行防水密封处理，并与吸盘连接。

根据ADC电压读数通过欧姆定律计算出的电阻值随后进行初步限幅平均滤波。由于手工制造误差和吸盘形状的不对称性，同一吸盘上不同传感器的性能存在差异。不同传感器输出信号的不一致会给后续信号分析和进一步控制带来相当大的困难。因此，归一化和线性化是数据处理工作流程中的必要步骤，以确保信号可比性。通过校准实验，可获得吸盘上不同传感器的静态特性参数。这些参数被编程到信号采集系统中，以实现实时信号处理。

2.2 性能表征

2.2.1 单传感器性能表征

为研究弯曲对附着于吸盘的液态金属传感器电阻的影响，开发了一个测试平台。实验平台由伺服电机驱动，可模拟吸盘凹口在特定角度下的弯曲以影响传感器。

该设备用于评估采用不同硅胶基底制造的传感器性能。使用四种不同硅胶材料制备液态金属传感器：Ecoflex 00-10、Ecoflex 00-30、Guoyuan E610和Guoyuan E620。将传感器固定于弯曲装置上，并在0°至135°弯曲角度范围内进行加载和卸载循环。实验结果表明，最终选择Guoyuan E610硅胶作为传感器制造的最佳材料。与Ecoflex系列硅胶相比，采用Guoyuan E610硅胶制造的传感器表现出更优的工作能力。此外，相对于Guoyuan E620硅胶，Guoyuan E610硅胶具有更好的柔韧性，并且对吸盘变形的干扰更小。

由于液态金属传感器在弯曲过程中信号的非线性特性，有必要了解其在工作范围内的特性曲线。测量表明，在实际应用中，凹口处的传感器通常经历90°至120°的弯曲角度。因此，将传感器预弯曲90°附着于装置上，并在工作范围内测量和计算其电阻值。依次测试多个传感器以消除手工制造引起的性能变化。所得特性曲线显示，传感器在完整工作范围内呈现非线性响应。根据灵敏度特性，曲线可分为两个区域：在90°–105°弯曲角度期间，传感器表现出较低的灵敏度，平均每度约为满量程的0.996%；在105°–120°范围内，观察到显著更高的灵敏度，虽然单个传感器之间存在显著差异，但整体灵敏度达到约每度满量程的5.6%。

通过在工作范围内施加增量弯曲角度（2°步长）评估传感器的分辨率。测试结果表明，传感器在其主要工作范围内保持令人满意的分辨率。

使用实验装置，在90°–135°范围内对传感器进行连续加载和卸载测试，以每秒2°的速率施加均匀弯曲。所得滞后曲线显示，滞后误差计算为相同输入点处增加（正）和减少（负）加载期间传感器输出之间的差值，除以满量程输出范围，并以百分比表示。传感器平均滞后差为1.53Ω，最大滞后差为3.37Ω。平均滞后误差为6.7%，最大滞后误差为14.7%。

使用实验装置，在90°–120°范围内对单个传感器进行十次连续加载和卸载循环。使用120°弯曲处传感器值的标准偏差来评估重复性。测试结果表明，传感器表现出平均电阻为31.5Ω，标准偏差为0.766Ω，相当于平均值的2.43%。这表明传感器具有高重复性。

使用实验装置，在90°–120°范围内对传感器进行超过1000次连续加载和卸载循环。测试结果表明，测试后测量范围减少1.82%，零点漂移0.87%，重复性没有显著变化。这些结果表明，传感器在重复加载循环下保持稳健的长期稳定性。

2.2.2 传感吸盘性能表征

四个传感器以不同方向集成于传感吸盘上。由于手工组装引入的制造误差和吸盘结构固有的不对称性，同一吸盘上的传感器在基线电阻、满量程输出和特性曲线方面存在差异。因此，需要进行传感器校准以解决这些不一致。

实验设置如下：为模拟潜在环境干扰，在吸盘上安装一根56mm长的加载杆，以在水平面内施加横向力，从而评估其干扰响应能力。由于外力通过加载杆而非直接作用于传感器位置施加，传感器不测量外力本身，而是检测吸盘内产生的弯矩引起的结构变形。首先，记录初始（无负载）条件下每个传感器的基线电阻；然后施加预负载使吸盘进入吸附状态；随后，在加载杆尖端以5N为步长，从0到30N施加增量横向力，方向为前、后、左、右；记录此过程中传感器的电阻变化，以确定工作范围内的最大响应并表征其在横向干扰下的行为。

记录的基线电阻和满量程输出值用于在微控制器中归一化传感器信号。对于呈现非线性响应的传感器，使用Origin软件对响应曲线进行分段线性拟合。将每段的斜率和截距参数编程到微控制器中，用于实时线性化补偿。该方法有效提高了信号处理效率并减少了计算负载。该校准程序显著减少了不同传感器之间的响应差异。

采用基于力矩传感的间接力估计方法，可以计算作用于传感吸盘上的横向干扰力的大小和方向。在校准实验中，将加载杆定位