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基于摩擦电的自供电柔性力传感传感器：在新鲜水果和蔬菜无损收获中的实际应用

发布时间：

2025-03-22

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近日，山东农业大学苹果智能化生产团队在国际期刊《Nano Energy》（IF:16.8）在线发表题为“Self-Powered Flexible Force-Sensing Sensor Based on Triboelectric Nanogenerator: Practical Applications in Non-Destructive Harvesting of Fresh Fruits and Vegetables”的最新研究成果。力感知是机器人实现精准操作和交互的关键能力，尤其是在无损抓取非结构化物体时至关重要。在农业领域，尤其是机械化果蔬采摘任务中，机器人末端执行器施加的力过大则会损坏果实，而过小的力则会导致果实滑移或脱落。从而引发病菌感染、缩短鲜食果蔬的保鲜和存储期、降低产品质量，影响经济效益。传统刚性传感器在柔性末端执行器中的适应性较差，特别是在处理柔软且易损伤的物体（如果蔬）的过程中无法实现高灵敏度且无损伤的力感知。柔性传感器凭借其良好的适应性展现出显著优势，但其力学感知精度和机械性能仍待进一步提升。此外，现有传感器通常依赖外部电源，限制了其在非结构化场景中的应用。

针对以上技术难题，研究团队制备了一种基于摩擦纳米发电机的柔性自驱动力感知传感器（IG-TENG），并成功应用于新鲜果蔬的无损采摘。实验结果表明，IG-TENG 具有卓越的可拉伸性、良好的电输出性能以及长期工作稳定性。在0-20 N内表现出高灵敏度（3.53 V/N）、良好的线性度（R²= 0.989）以及对不同抓取位姿的良好适应性，力感知准确率高达 93.77%。此外，该传感器凭借制造工艺简单、可扩展，成本低、无污染和自供电等优势，在柔性电子、智能机器人、农业采摘及可穿戴设备等领域展现出广阔的应用前景。

研究团队成功制备了一种基于离子凝胶的高透明、可拉伸导电材料（IG-TENG），凝胶的拉伸断裂应变最高可达711%，电导率提升至5.63 mS/cm，同时在3 MPa压力下无破坏，展现出卓越的机械强度。扫描电子显微镜（SEM）表征揭示了凝胶均匀的微观结构，三维网状结构有助于提升其机械性能和导电稳定性；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步确认了离子液体的成功引入及其在凝胶网络中的作用。

图1 导电离子凝胶的表征和优化

构建恒定力传感测试装置评估IG-TENG（20×40 mm²）输出性能，结果表明开路电压（Voc）和短路电流（Isc）随接触压力增大而上升，并在压力释放后恢复基线。温度影响测试显示，10-30℃范围内输出电压稳定。频率测试表明，Voc 在0.25-2 Hz范围内保持98.6 V稳定输出，而 Isc 随频率增加而提升。拉伸测试发现，75%拉伸时电压达到最大，并能在释放后迅速恢复。传感器响应恢复时间分别为192ms和164ms。表现出较快的动态响应特性，能够满足果蔬采摘过程中对实时力感知的需求。此外，TENG 在30000次接触-分离循环后仍保持稳定输出，展现出优异的抗疲劳性和长期工作能力。

图2 IG-TENG的电输出性能和稳定性

采用两指鳍射线状机械手开展基于IG-TENG的果蔬采摘机械手力感知实验研究，实验采用3D打印苹果模型，并通过丝杠滑台施加载荷，进行单指力-电压标定，并采用力感知验证装置进行模型精度验证。试验结果表明，传感器输出电压随位移增加呈线性增长（R²>0.99），力-电压灵敏度达3.53 V/N，拟合度高（R²=0.989）。IG-TENG可以排除夹持时位姿的影响，同时具备精准的力感知功能，证实了摩擦纳米发电传感器用于感知采摘夹持力的可行性和准确性，为球形果蔬采摘夹持力感知提供高效、可靠的解决方案。

图3 部署IG-TENG的苹果采摘机械手单指力学标定

图4 IG-TENG力感知验证试验与结果分析

综上所述，研究团队制备了一种基于摩擦纳米发电机的柔性自驱动力感知传感器（IG-TENG），并成功应用于新鲜果蔬的无损采摘。实验结果表明，IG-TENG 具有卓越的可拉伸性、良好的电输出性能以及长期工作稳定性。在0-20 N内表现出高灵敏度（3.53 V/N）、良好的线性度（R²= 0.989）以及对不同抓取位姿的良好适应性，力感知准确率高达 93.77%。此外，该传感器凭借制造工艺简单、可扩展，成本低、无污染和自供电等优势，在柔性电子、智能机器人、农业采摘及可穿戴设备等领域展现出广阔的应用前景。

作者介绍

山东农业大学机电学院孙林林副教授和博士研究生芦明旸为共同第一作者，王金星教授、闫银发教授和中国科学院唐伟研究员为共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金、山东省重点研发计划项目的资助。该团队致力于果园智能化生产关键技术装备方向的研究工作。

来源

Mingyang Lu, Linlin Sun, Jing Wang, et al. Self-powered flexible force-sensing sensor based on triboelectric nanogenerator: Practical applications in non-destructive harvesting of fresh fruits and vegetables[J]. Nano Energy, 2025, 138: 110860.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110860

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