張步祥，沈鴻烈，肖 博，曹錚錚，戴振東

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京210016；2.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京211106；3.北京華測(cè)試驗(yàn)儀器有限公司,北京100094）

在長期自然選擇壓力下，不少動(dòng)物（如壁虎、蜘蛛、蒼蠅等）演化出了特殊的黏附運(yùn)動(dòng)能力，能夠利用運(yùn)動(dòng)附著器官（如腳掌）與接觸面間形成可調(diào)控的吸附力[1?3]。這些黏附力通常來源于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)附著器官與基底表面之間的毛細(xì)力（稱為濕黏附）或范德華力（稱為干黏附）。已有研究發(fā)現(xiàn)以壁虎為代表的干黏附力與接觸面積有關(guān)[4?5]，并可能受到包括接觸摩擦致電產(chǎn)生的電場(chǎng)在內(nèi)的外電場(chǎng)的影響[6]。壁虎運(yùn)動(dòng)接觸過程中的接觸/摩擦致電已經(jīng)得到了證實(shí)[7?8]，并且接觸/摩擦電荷的電場(chǎng)強(qiáng)度也可能與接觸區(qū)域面積相關(guān)。因此,可以認(rèn)為黏附力、接觸面積、接觸/摩擦電荷三者之間存在耦合作用。測(cè)定壁虎運(yùn)動(dòng)過程的反力、實(shí)際接觸面積和接觸電荷并輔以行為學(xué)測(cè)試，是探究接觸摩擦致電對(duì)黏附的影響、揭示壁虎黏附機(jī)制、建立仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)性工作。然而，受限于測(cè)試技術(shù)，迄今尚未有運(yùn)動(dòng)反力、接觸面積、接觸/摩擦電同步測(cè)量研究的報(bào)道。

為解決上述研究需求，本文設(shè)計(jì)研制了一種復(fù)合傳感器，解決了接觸面積和電荷同步測(cè)量、系統(tǒng)標(biāo)定等困難，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)反力、接觸面積以及接觸電荷的同步測(cè)量。通過將多個(gè)傳感器組成運(yùn)動(dòng)通道的方式對(duì)自由運(yùn)動(dòng)的壁虎進(jìn)行了測(cè)量。本文還驗(yàn)證了所研制傳感器的可用性和可靠性，為進(jìn)一步開展生物黏附和仿生黏附研究奠定重要的設(shè)備和方法基礎(chǔ)。

1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國內(nèi)外已有關(guān)于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)反力[9]、接觸面積[10]和接觸/摩擦電[7]單獨(dú)測(cè)試的研究，本文研究的重點(diǎn)在于解決多參數(shù)同步測(cè)試引入的約束和新問題。運(yùn)動(dòng)反力測(cè)試可通過應(yīng)變、電容、壓電和光學(xué)等多種力傳感器實(shí)現(xiàn)。最常用的是電阻應(yīng)變片式力傳感器，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是平衡傳感器的高靈敏度和高固有頻率。實(shí)際設(shè)計(jì)中需要盡量降低傳感單元的質(zhì)量、保證傳感單元的固有頻率。實(shí)際接觸面積測(cè)定可通過受抑全反射原理在接觸區(qū)域形成光斑、通過光斑大小獲得面積數(shù)據(jù)。該方法要求傳感單元透明，所用材料具有較高的折射率[11]。接觸/摩擦電測(cè)試通常基于靜電感應(yīng)原理開展，要求傳感單元有好的導(dǎo)電性以減少電荷耗散，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。然而，要實(shí)現(xiàn)三者的同步測(cè)量還面臨著巨大的挑戰(zhàn)：為了實(shí)現(xiàn)接觸面積和接觸作用力的測(cè)量，必須將面積測(cè)量單元和力傳感器連接，并且力傳感器不能妨礙接觸面積的觀測(cè)，因此面積測(cè)量單元需要偏置，這會(huì)導(dǎo)致力傳感器承受非對(duì)心載荷；為了實(shí)現(xiàn)接觸電荷的測(cè)量，需要在接觸區(qū)域的下方布置電極（板），通常電極的厚度越大，電學(xué)性能越好，但重量也就越大；將上述測(cè)試單元與力傳感器結(jié)合后會(huì)顯著增加力傳感器系統(tǒng)的重量，導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性降低；此外，電極的光學(xué)性能又會(huì)限制接觸面積的觀測(cè)。

為平衡上述測(cè)試技術(shù)和方法上的沖突、實(shí)現(xiàn)三者的同步測(cè)試，本文設(shè)計(jì)了如下復(fù)合傳感器：用1根透明的有機(jī)玻璃梁（175 mm×35 mm×2 mm，折射率1.49，透光率大于90%）作為動(dòng)物附著器官的接觸對(duì)象并在其兩端添加光源形成內(nèi)全反射；有機(jī)玻璃梁下表面鍍有導(dǎo)電透明氧化銦錫（Indium tin oxide,ITO）薄膜（厚度約10μm，折射率1.74，透光率大于66%）；鍍膜后的有機(jī)玻璃梁的兩端與兩個(gè)三維力傳感器連接。有機(jī)玻璃梁與兩個(gè)三維力傳感器通過固定連接件連接，構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反力的傳感單元；有機(jī)玻璃梁和光源構(gòu)成對(duì)腳趾實(shí)際接觸面積的傳感單元；帶導(dǎo)電ITO膜的有機(jī)玻璃梁同時(shí)也是接觸/摩擦電荷的傳感單元。傳感器的力信號(hào)和透明電極的電信號(hào)通過自研的信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行前置調(diào)理、后續(xù)放大和A/D變換，經(jīng)EtherCAT總線匯集后上傳到計(jì)算機(jī)；接觸光斑的圖像信號(hào)由傳感器下方、視軸與有機(jī)玻璃梁垂直的高速攝像機(jī)采集；多個(gè)傳感器組成一個(gè)通道以容許動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)，力、電信號(hào)的采集和高速攝像機(jī)的圖像信號(hào)的采集通過觸發(fā)信號(hào)同步觸發(fā)（圖1）。

圖1 基于復(fù)合傳感器的多參數(shù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Multi?parameter measurement system for locomo?tion experiment based on new composite sensors

1.1 測(cè)量原理

1.1.1 運(yùn)動(dòng)接觸反力測(cè)量

圖2 有機(jī)玻璃梁的受力分析Fig.2 Force analysis of PMMA beam

顯然，動(dòng)物運(yùn)動(dòng)附著器官與有機(jī)玻璃梁之間的相互作用力可以由兩個(gè)力傳感器測(cè)得的力來表示。實(shí)際測(cè)量中，運(yùn)動(dòng)反力可能作用于AXY平面的任意一點(diǎn)。為降低這種偏心載荷對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響，并避免對(duì)兩個(gè)傳感單元分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)際操作時(shí)將兩個(gè)傳感單元同一方向的測(cè)量電橋進(jìn)行了并聯(lián)處理[13]。為確定復(fù)合傳感器的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)復(fù)合傳感器整體進(jìn)行有限元模態(tài)分析，各組成部分的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合傳感器各部件材料的物理參數(shù)Table 1 Physical parameter s of par ts in the composite sensor

模態(tài)分析利用Abaqus完成，固定連接件（光敏樹脂）與三維力傳感器（鋁合金LY 12CZ）、有機(jī)玻璃梁的接觸面均設(shè)為固結(jié)綁定，使用C3D8R單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在三維力傳感器的薄壁處進(jìn)一步細(xì)分網(wǎng)格，將三維力傳感器下方支腳的XY底面和YZ側(cè)面固定座位邊界條件，得出復(fù)合傳感器的前六階固有頻率，如表2所示。

表2 復(fù)合傳感器的固有頻率和振型特征Table 2 Intr insic fr equencies and vibr ation characteris?tics of the composite sensor

根據(jù)上述分析，復(fù)合傳感器的一階固有頻率103.22 Hz，滿足壁虎腳掌低頻力信號(hào)的測(cè)量需求。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)接觸面積測(cè)量

圖3示意了利用受抑全反射原理測(cè)量接觸面積的過程。光線從光密介質(zhì)（透明有機(jī)玻璃）傳播到光疏介質(zhì)（空氣）時(shí)，入射角大于臨界角的光線將在有機(jī)玻璃?空氣界面上發(fā)生全反射。當(dāng)一個(gè)物體靠近有機(jī)玻璃并且與有機(jī)玻璃表面的距離較小時(shí)，有機(jī)玻璃內(nèi)部的全反射將會(huì)受到影響，有一部分光線將從有機(jī)玻璃中透射出來。當(dāng)物體與有機(jī)玻璃接觸時(shí)，接觸區(qū)域超過80%的光線會(huì)透射出來，照射在物體上形成亮斑。通過對(duì)亮斑的觀察和測(cè)量可獲得接觸區(qū)域的面積[14]。

圖3 受抑全反射原理接觸光斑形成過程Fig.3 Highlight contact region through frustrated total in?ternal reflection

圖像處理程序中根據(jù)亮度閾值提取出真實(shí)接觸區(qū)域，處理效果如圖4所示。通過程序提取接觸光斑的像素點(diǎn)數(shù)目，通過標(biāo)尺換算即可得出實(shí)際接觸區(qū)域的面積。

圖4 接觸圖像處理Fig.4 Image processing of contact regions

1.1.3 接觸電荷測(cè)量

接觸/摩擦電荷的測(cè)量利用了靜電感應(yīng)原理。前期研究沒有接觸/摩擦電荷與接觸面積同步測(cè)試的要求或不要求電極具有透明特性，因此采用金屬（銅）作為電荷采集的電極。本文中為同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸面積測(cè)試和接觸/摩擦電荷測(cè)試，采用透明導(dǎo)電的ITO材料作為電極，具體實(shí)現(xiàn)方式是在有機(jī)玻璃下表面濺射ITO材料[15]。

根據(jù)靜電感應(yīng)原理，接觸對(duì)象與有機(jī)玻璃上表面發(fā)生接觸后產(chǎn)生電荷Q的同時(shí)，有機(jī)玻璃下表面的ITO電極上表面產(chǎn)生與有機(jī)玻璃表面等量異號(hào)的電荷、下表面產(chǎn)生與有機(jī)玻璃表面等量同號(hào)的電荷。因此，測(cè)量ITO電極下表面電荷即可得到有機(jī)玻璃表面的電荷。電荷通常通過對(duì)ITO電極與地面之間的電壓差和電容測(cè)量后換算。考慮到ITO電極與地面之間的電容C1通常很小，本文在信號(hào)處理端內(nèi)置了一個(gè)大電容C2，并將C1與C2并聯(lián)后形成電容Ce（圖5）。因此，測(cè)量電容Ce的電壓Us后可以換算得到待測(cè)電荷量Q=UsCe。

圖5 接觸電荷測(cè)量原理Fig.5 Measurement of tribocharge

1.2 傳感器標(biāo)定

1.2.1 力測(cè)量模塊標(biāo)定

在復(fù)合傳感器的接觸面上施加外力載荷F，信號(hào)經(jīng)調(diào)理、放大、A/D轉(zhuǎn)換，得到輸出電壓Uf，兩者之間存在以下關(guān)系

依次在X、Y和Z方向施加載荷，可確定輸出電壓與負(fù)載力之間的關(guān)系。以Y方向?yàn)槔赮方向上施加載荷F（FX=0，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z=0），信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)力信號(hào)端的輸出電壓為Uf（UX，UY，UZ），關(guān)系如圖6所示。

圖6 復(fù)合傳感器Y方向力標(biāo)定曲線Fig.6 Calibration of force measuring in Y direction of the composite sensor

由圖6表明，標(biāo)定載荷FY與輸出電壓UX、UY、UZ之間有良好的線性關(guān)系。將得到的數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合成直線，斜率分別為kXY=-1.01E-4,R2=0.766;kYY=-5.16E-3,R2=1;kZY=-6.10E-5,R2=0.701。通過同樣的方法對(duì)X和Z方向進(jìn)行標(biāo)定后得到

在實(shí)際測(cè)量中，將上述矩陣Cf求逆后與信號(hào)端的輸出電壓Uf進(jìn)行運(yùn)算可得到動(dòng)物腳掌與有機(jī)玻璃梁之間相互作用力的大小

1.2.2 接觸面積測(cè)量模塊標(biāo)定

接觸光斑首先由高速攝像機(jī)（iSpeed,OLYM?PUS,JAPAN）采集，而后經(jīng)過圖像處理程序獲得實(shí)際接觸區(qū)域的面積。

標(biāo)定的目的一方面是確定所拍攝圖片的真實(shí)標(biāo)尺尺度（即每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真實(shí)尺寸），另一方面是確保觀測(cè)區(qū)域內(nèi)環(huán)境光線亮度相同。為實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的，在有機(jī)玻璃梁上粘貼了固定尺寸的參照物；為實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目的，通過測(cè)光板對(duì)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的不同點(diǎn)環(huán)境光亮度進(jìn)行測(cè)試，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)環(huán)境光源進(jìn)行調(diào)整，直至所有測(cè)量點(diǎn)的光亮度差異小于5%。

1.2.3 接觸摩擦電荷測(cè)量模塊標(biāo)定

電荷測(cè)量模塊標(biāo)定時(shí)采用對(duì)信號(hào)輸入端施加電壓的辦法來代替電荷源。本文中采用源表（KEITHLEY?2400C）對(duì)電荷傳感器單元信號(hào)輸入端施加電壓。電路系統(tǒng)穩(wěn)定后，源表輸出電壓與ITO電極對(duì)地電壓Us相等，則施加電壓產(chǎn)生的等效電荷Q為式中Ce=98.6 nF。此時(shí)測(cè)量該模塊的輸出端電壓為Ue。

圖7 接觸電荷測(cè)量模塊標(biāo)定曲線Fig.7 Calibration of contact charge measuring

1.2.4 傳感器的綜合指標(biāo)

復(fù)合傳感器標(biāo)定后的綜合指標(biāo)如表3所示。

表3 組合傳感器標(biāo)定結(jié)果Table 3 Calibration results of the composite sensor

1.3 復(fù)合傳感器陣列

由于動(dòng)物自由運(yùn)動(dòng)時(shí)腳掌與基底的接觸點(diǎn)是隨機(jī)的，為實(shí)現(xiàn)高效測(cè)量，本文將10個(gè)復(fù)合傳感器并排放置組成測(cè)量陣列，陣列尺寸為175 mm×364 mm。陣列的前端和末端分別用不銹鋼進(jìn)行擴(kuò)展，使整個(gè)通道的長度達(dá)到600 mm。當(dāng)動(dòng)物在通道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，筆者能夠在一組實(shí)驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量多只腳的黏附接觸。

1.3.1 數(shù)據(jù)采集

本文采用自研的、多通道的信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊采集力傳感器的力信號(hào)和ITO電極的電信號(hào)，采樣率為1 kHz，高速攝像機(jī)采集接觸光斑的圖像信號(hào)，拍攝幀數(shù)為500 f/s。

信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部采用AD7606?4的16位4通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片，模塊之間通過同一時(shí)鐘線啟動(dòng)采集，數(shù)據(jù)同步性差異小于10-4s，信號(hào)采集滯后小于10-4s，時(shí)鐘線同時(shí)對(duì)高速攝像機(jī)進(jìn)行同步觸發(fā)，以保證應(yīng)變信號(hào)、電信號(hào)、圖像信號(hào)的同步性。

1.3.2 靜電屏蔽

由于涉及接觸電荷的采集，需要做好靜電屏蔽工作，如測(cè)量系統(tǒng)的有效接地、操作人員全程著靜電服等，以減少外界對(duì)電荷信號(hào)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)復(fù)合傳感器的可用性，本文利用上述陣列對(duì)豎直上爬的壁虎進(jìn)行了測(cè)試研究。測(cè)量陣列前端的不銹鋼接地處理，當(dāng)壁虎接觸這一部分不銹鋼時(shí)，它們腳掌上可能攜帶的電荷將被消除。本文還在通道的末端放置黑色盒子，以引誘壁虎順利爬行。壁虎實(shí)驗(yàn)在溫度25～30℃、相對(duì)濕度60%～70%條件下進(jìn)行。壁虎在自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，容易出現(xiàn)單個(gè)腳掌接觸到兩個(gè)復(fù)合傳感器接觸面或兩個(gè)腳掌先后接觸單個(gè)復(fù)合傳感器接觸面的情況，該情況下無法同時(shí)分離出單個(gè)腳掌的運(yùn)動(dòng)反力和接觸電荷數(shù)據(jù)。因此，選取全腳掌接觸單個(gè)接觸面且該接觸面只發(fā)生此次接觸的實(shí)驗(yàn)樣本，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[9]，得到運(yùn)動(dòng)反力、實(shí)際接觸面積和接觸電荷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8展示了一個(gè)傳感器陣列中一個(gè)傳感器從實(shí)驗(yàn)開始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束整個(gè)過程中的典型測(cè)量結(jié)果。

圖8 壁虎實(shí)驗(yàn)過程及典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Verification experiment with geckos and a typical result

壁虎在豎直表面上爬行、腳掌與復(fù)合傳感器接觸后，運(yùn)動(dòng)反力中的側(cè)向力FX和法向力FZ的變化較小，前后方向力FY先增大后減小。實(shí)際接觸面積Src先增大后減小，變化趨勢(shì)與驅(qū)動(dòng)力FY相同。實(shí)驗(yàn)開始之前，電荷數(shù)據(jù)穩(wěn)定為0 nC；實(shí)驗(yàn)開始后但壁虎腳掌與圖8所展示傳感器接觸之前，電荷測(cè)量模塊的信號(hào)發(fā)生波動(dòng)，說明壁虎在與該測(cè)量單元的有機(jī)玻璃梁接觸之前已經(jīng)產(chǎn)生了接觸摩擦電荷，并對(duì)該測(cè)量單元產(chǎn)生了一定的影響；腳掌與圖8所展示的傳感器有機(jī)玻璃梁接觸過程中，電荷測(cè)量模塊的信號(hào)雖然有波動(dòng)，但總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明接觸過程中接觸電荷持續(xù)產(chǎn)生；接觸分離后腳掌與其他傳感器接觸產(chǎn)生的電荷對(duì)該傳感器的信號(hào)產(chǎn)生了影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后壁虎完全脫離傳感器區(qū)域并與接地的金屬板接觸，其所攜帶電荷不再對(duì)圖8所展示的傳感器信號(hào)產(chǎn)生影響，此時(shí)電荷數(shù)據(jù)為0.25 nC，表明腳掌在與有機(jī)玻璃接觸過程中產(chǎn)生了0.25 nC電荷。本復(fù)合傳感器測(cè)得的運(yùn)動(dòng)反力和實(shí)際接觸面積與以往實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的一致性，電荷數(shù)據(jù)與以往實(shí)驗(yàn)處于同一數(shù)量級(jí)，證明了所研制傳感器的可用性和可靠性。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣證明接觸/摩擦電荷的測(cè)量可能受到多種因素的影響，為進(jìn)一步揭示黏附接觸過程中的摩擦致電，還需要設(shè)計(jì)更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。以往壁虎黏附爬行的電荷測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，接觸電荷數(shù)值的大小與接觸材料之間具有較大的關(guān)聯(lián)，且都是在腳掌去除靜電后發(fā)生接觸所得。本實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果反映了黏附過程接觸摩擦電荷可能的時(shí)效性影響，可能更能反應(yīng)自然界中壁虎自由爬行的情況，為后續(xù)研究指明了方向。

3 結(jié) 論

本文組合應(yīng)用三維力傳感器、下表鍍有ITO透明電極的有機(jī)玻璃以及帶有條狀光源的中間件制成的復(fù)合傳感器，可以滿足壁虎自由爬行時(shí)的運(yùn)動(dòng)反力、真實(shí)接觸面積和接觸電荷的同步測(cè)量需求，為壁虎黏附機(jī)制的揭示、相關(guān)仿生黏附材料的制備及其應(yīng)用奠定了重要的設(shè)備基礎(chǔ)。