一种深度学习辅助的水下三维触觉张拉整体传感器
image: IMAGE: Construction diagram and applications of TENG based tensegrity . (A and B) Basic structures of the CP-TENG sensor (A) and RS-TENG sensor (B). (C) Structural diagram of tensegrity. (D) Voltage ratio of CP-TENG for different D/L values. (E) Characteristics of voltage curves of RS-TENG in different states: twistable, bendable, and stretchable states. view more
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随着在海洋探索和研究中水下机器人应用的增长，迫切需要有效的三维触觉为水下机器人作业提供触觉反馈。张拉整体结构通常是由分离的刚性杆和张力元件构成，刚性杆通过连续的张力元件构成一个张力网络。这种轻型、多自由度和高动态顺应性的结构设计能够通过张力网络有效地重新分配载荷，允许系统被动地适应外界环境。这种能力可以使张拉整体通过其姿态估计来探索未知的水下环境，尤其是在狭窄的空间中光或声音存在反射问题时。此外，该轻型结构还可以提供高冲击弹性。摩擦纳米发电作为一种全新的机电转换方式，其最大优势在于能将环境中广泛分布的杂乱无章的机械扰动高效且自驱动地转换成电能或者电信号，因此在环境能量捕获和微扰动自驱动感知领域有广阔应用前景。因此，将摩擦纳米发电机与张拉整体结构相结合视为水下航行器在探索未知水下环境过程中可行的三维触觉感知方案。
U3DTT结构的感知部分主要由安装在刚性碳纤维杆端点的可挤压掌心型摩擦纳米发电机（cap-shaped pressing triboelectric nanogenerator，CP-TENG），和用于连接两根杆的可张拉胡须状摩擦纳米发电机（rope-shaped stretchable triboelectric nanogenerator，RS-TENG）组成。
PP-TENG传感器可以在外加压力下将柔性盖变形转换为电信号。当传感器去除外加压力时，盖板在软材料的恢复力作用下恢复原状。RS-TENG的主体用乳胶管和铝合金夹子密封，在乳胶管和碳纳米管之间存在空气层，确保在水下环境中的拉伸力作用下RS-TENG能够产生摩擦电信号。
本文设计了基于摩擦纳米发电和基于深度学习的数据分析的水下三维触觉张拉整体传感器，以探索未知环境，为水下航行器与其周围环境之间的相互作用提供一种技术方法，特别是当光学或声学反射问题发生在狭窄空间时。与其他二维触觉设备相比，DL辅助U3DTT提供多种先进的特性，包括多自由度、高灵敏度、低成本、快速响应时间和一致性。在未来的研究中，将着重于将基于摩擦纳米发电的水下仿生触觉感知作为水声以及视觉感知的重要补充。解决目前限制水下领域信息感知的各种问题，并通过水下智能设备为水下环境评估提供各种关键信息。