当大多数人想到陶瓷时，可能会想到咖啡杯、浴室瓷砖或花盆等物品。但对于法兰克·克莱门斯（Frank Clemens）而言，陶瓷代表着更多。作为埃姆帕高性能陶瓷实验室的负责人，这些材料有潜力导电、表现出智能，甚至具备触觉能力。克莱门斯和他的团队正在创造由陶瓷制成的创新软传感器材料。这些先进的传感器具有检测温度、应变、压力或湿度等变量的能力，使它们在医疗应用和软机器人领域都极具价值。
什么是软陶瓷？根据像克莱门斯这样的材料科学家的说法，陶瓷是由松散颗粒组成的无机非金属物质，经过一种称为烧结的高温处理。具体的材料和其性质可能差别很大。然而，克莱门斯的实验室里并没有传统的粘土或瓷器。相反，他的团队使用氟化钠铌酸盐、氧化锌和各种碳颗粒等物质。
这些材料本质上是坚硬的。为了创建灵活的传感器，研究人员将陶瓷颗粒嵌入可拉伸的塑料中。克莱门斯解释道：“我们利用高度填充的系统。我们用热塑性材料创建一个基体，尽可能多地融入陶瓷颗粒，而不损失基体的弹性。”当这个高密度的框架被操作——拉伸、压缩或暴露于不同温度时，陶瓷颗粒之间的间距会改变，从而影响传感器的电导率。克莱门斯指出，无需将整个基体都充满陶瓷；通过3D打印，他们可以将陶瓷传感器像“神经”一样集成到柔性部件中。
智能和选择性
制作这些软陶瓷传感器并不是一项简单的任务。通常，软传感器能够同时捕捉多个环境信号，如温度、应变和湿度。克莱门斯指出：“为了在现实世界中应用它们，我们需要明确我们所测量的内容。”他的团队成功设计了只对压力或温度做出反应的传感器。他们将这些传感器应用于假手中，可以检测到手指弯曲和与热表面接触时。这种“敏感性”对机器人工具和人类假肢都是有利的。
埃姆帕的团队还在开发一种软“机器人皮肤”。这种仿人类皮肤的多层塑料表面对触摸和温度变化作出反应。为了分析这些复杂的数据，埃姆帕的研究人员与剑桥大学的科学家合作，创建了一种在约4500个数据点上训练的人工智能模型。这个过程模拟了人类的感知过程，我们皮肤的神经信号被大脑解释和处理。
在他们最新的努力中，研究人员将陶瓷传感器与人工肌肉结合在一起。与苏黎世联邦理工大学和东京大学的团队合作，他们开发了一种生物混合机器人，利用柔性、生物相容的、组织集成的压电电阻传感器来识别其收缩状态。他们的发现已发表在《先进智能系统》期刊上。
确保安全的人机互动
法兰克·克莱门斯的愿景是人类与机器能够有效且安全地协作。“当前的机器人系统往往体积庞大、重量重且功率强，这可能对人构成威胁，”他解释说。为了使机器人成为我们工作场所的常见装置，它们必须能快速且敏感地对人类触摸做出反应。克莱门斯说：“当你不小心碰到某人时，你会本能地退后。” “我们旨在为机器人编程实现类似的反射。”研究人员目前正在寻找工业伙伴，以合作开发机器人抓握系统。此外，软传感器在医疗领域有显著应用；团队最近与IDUN Technologies完成了一项Innosuisse项目，成功开发了用于测量脑波的柔性电极。
然而，他们的旅程远未结束：研究人员旨在提高其软陶瓷传感器的灵敏度和智能性。这涉及将新型陶瓷材料与软聚合物结合，并改善其传感器能力。成功的关键在于有效地将这两种成分结合在一起。
