基于超疏水触觉传感器的无损水果抓取技术及其在智慧农业中的应用

本刊推荐：本研究创新性地开发了一种集成Arduino微控制器与Python编程的超疏水触觉传感器系统，实现了对抓取力的实时监测与精准控制（灵敏度达5.57 kPa?1，检测范围0.01–450 kPa）。该传感器具备卓越的耐久性（＞8000次循环）和快速响应特性（103 ms/73 ms），其超疏水特性支持宽湿度环境（20–80% RH）及水下作业，为农业机器人无损采摘提供了关键技术突破。

　　

Highlight

受荷叶微乳突结构和鱼鳞结构启发，我们开发了一种能同时检测物体压力与滑移感知的超疏水触觉传感器。该传感器通过末端执行器在抓取水果时实时反馈抓取力数据。基于Arduino微控制器和Python编程开发的实时信号采集与控制系统，能够在机器人水果采摘过程中持续监测并精准调节抓取力。传感器结构包含聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）封装层、铜箔电极、碳纳米管（CNT）敏感层、聚二甲基硅氧烷（PDMS）锥形结构层和仿鱼鳞状层。该触觉传感器表现出卓越的传感性能：灵敏度高达5.57 kPa^?1，检测范围宽至0.01–450 kPa，循环稳定性优异（超过8000次循环），响应时间低至103毫秒，恢复时间仅73毫秒。通过与末端执行器协作进行无损水果采摘实验，该传感器显著降低了抓取过程中的水果损伤。结果表明，我们设计的触觉传感器能有效检测物体的接触状态，包括压力和滑移。

Raw materials

聚二甲基硅氧烷（PDMS，Sylgard 184）购自陶氏化学（通过东莞市长安新科新材料有限公司）。碳纳米管（CNTs）由深圳市穗恒科技有限公司供应。无水乙醇（99.7%）采购自重庆泰兴化工有限公司。不锈钢网（304级）取自安平县鼎辉丝网制品有限公司。3D打印锥形模板由浙江三迪科技有限公司制造。实验所用去离子水由本实验室自制。

Structural characterization

P/C/C/S样品表面的能谱图。（e）P/C/S/S样品表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（f）P/C/S/S样品表面的SEM放大图。（g）附着于P/C/S/S样品表面的碳纳米管（CNTs）的SEM图像。（h）附着CNTs的P/C/S/S样品表面SEM局部放大图。（i）P/C/S/S样品横截面的SEM示意图。（j）P/C/S/S样品横截面的SEM放大图。（k）附着于P/C/S/S样品横截面的CNTs的SEM图像。（l）横截面上CNTs的SEM局部放大图。

Conclusion

为最大限度减少机器人采摘过程中的水果损伤，我们开发了一种新型超疏水触觉传感器，并结合基于Arduino微控制器和Python编程的实时信号采集与控制系统。该创新传感器能够同时实现压力识别与滑移检测功能，其关键性能指标已系统性地呈现在表1中，这些指标对机器人采摘应用具有重要意义。