米乐m6官方网站（以下简称“AIST”），纳米材料研究部，研究组组长杉野拓司，首席研究员物部博达，首席研究员堀内哲也，与立命馆大学科学技术学院机器人学系平井伸一教授、松野隆宏助理教授合作离子导电聚合物传感器作为软体机械手的弯曲传感器，我们发现可以检测软体机械手抓取物体时手指弯曲和伸展的“运动”，以及手指弯曲程度的“形状”，以及确定其抓取的物体是否掉落。
传统压电柔性传感器只能检测软机器人手手指的“运动”，例如弯曲和伸展手指以抓取和释放物体，而很难定量检测手指的“形状”，即手指在抓住物体并静止后弯曲的程度。相比之下，离子导电聚合物传感器不仅可以检测手指的“运动”，还可以检测手指静止后的“形状”。因此，可以获得软体机械手所抓取的物体的尺寸以及是否继续正确抓取的信息。此外，通过检测和分析物体掉落时手部发生的微小振动，现在可以确定物体是否掉落。
为了解决劳动力成本上升和劳动力短缺的问题，例如在食品行业，需要节省劳动力的食品包装操作。当使用软机器人手自动化抓取物体的任务时，确定抓取任务的成功或失败是一个问题。现在利用离子导电聚合物传感器的特性已经解决了这个问题。
该技术的详细信息将于 2023 年 2 月 1 日至 3 日在东京国际展示场举行。纳米技术 2023''在线展出。
机器人技术作为弥补少子老龄化造成的劳动力短缺、促进产业可持续发展的手段，近年来备受关注。例如，我们每天吃的饭盒里的食材的包装依赖于体力劳动，因此劳动力的缺乏与生产力的下降直接相关。食材一般都是软的并且有多种形状，所以代替了传统的刚性机械手弹性体等材料制成的软机器人手来抓取。
那时，检测软体机械手运动的触觉传感器也必须由不会妨碍抓握时变形的软质材料制成。作为软触觉传感器，压电聚合物介电弹性体电容式传感器是已知的。然而，压电传感器检测的是平面传感器形状变化的速度，而不是形状本身，因此虽然它可以检测软体机器人手的运动，但当它停止运动时，它无法区分它是在伸展还是弯曲。此外，电容式传感器通过在长度方向上拉长传感器来检测电容的变化，因此必须将其附着在容易变形的软机器人手的外表面。此外，他们都无法检测和确定物体何时从软机器人手中滑落。因此，需要开发一种能够判断抓取物体成功或失败的传感器。
到目前为止，在 AIST，触觉瞄准现场应用离子导电聚合物致动器的开发离子导电聚合物致动器具有三层结构，其中金或碳纳米管等导电电极粘合到离子电解质凝胶膜的两侧，其特点是当在两个电极之间施加电压时会弯曲和变形。另一方面，当用手指等从外部推动相同的离子导电聚合物致动器使其弯曲变形时，致动器内部会产生几毫伏的电压，因此我们认为它也可以用作柔性传感器。在立命馆大学，我们正在研究由硅橡胶制成的可用于抓取食物的软机器人手的设计和控制。立命馆信托基金与米乐m6官方网站（AIST）建立全面合作伙伴关系，开展“种子发芽计划”，共同培育共同种子以解决社会问题。作为该计划的一部分，他们对使用软聚合物传感器的软机器人手进行了联合研究。
在这项研究中，我们通过将离子导电聚合物-金属复合材料（IPMC）密封在氟树脂薄膜中，创建了离子导电聚合物传感器，IPMC传感器，该复合材料在燃料电池等中使用的离子电解质凝胶膜的两面化学镀金。然后，我们将其连接到由气压驱动的软机器人手的手指上，并研究其作为传感器的功能。在IPMC传感器中，软机器人手的抓取运动引起的弯曲变形使传感器内部的阳离子浓度分布产生偏差，并在两个电极之间产生电压（传感电压）（图1）。通过监测该电压，我们研究了检测软机器人手的状态（运动和形状）的灵敏度。此外，我们还对连接到类似软机器人手上的压电和电容传感器进行了实验，并比较了它们作为传感器的性能。
图1离子导电聚合物传感器（IPMC传感器）通过弯曲变形发电
a) 弯曲变形之前：IPMC 传感器内部的阳离子均匀分布在整个传感器元件
b) 弯曲变形期间：弯曲期间的压力导致阳离子分布偏差，产生电位差
图2 压电传感器、电容传感器、IPMC传感器在抓取过程中产生的电压比较
a) 安装在软体机器人手外部 b) 安装在软体机器人手内部
结果如图2所示。压电传感器可以检测与软体机器人手的抓取运动相关的弯曲变形，但它们无法确定是否保持抓取状态，即弯曲状态。另一方面，电容式传感器可以检测抓取状态，但无法检测抓取动作开始时软机器人手的抖动。相比之下，IPMC传感器能够以高灵敏度检测软体机器人手的弯曲和晃动，以及检测抓握状态。换句话说，它可以说是一种结合了压电传感器和电容传感器两者优点的传感器（图2a）。
考虑到软体机械手与食物直接接触，将这些柔性传感器嵌入软体机械手内部更加卫生。因此，我们比较了每个柔性传感器嵌入软机器人手内时的灵敏度（图 2b）。因此，我们能够证明 IPMC 传感器即使在软机器人手内部也可以检测抓取条件。另一方面，当电容式传感器安装在软体机器人手内部时，电容式传感器在弯曲和变形过程中的伸长量会减小，导致对变形的灵敏度显着降低。
图3 各种柔性传感器在橙子被抓握和滑落时的电压信号变化对比
（传感器安装在软体机械手外部）
接下来，我们研究了当软机器人手抓住物体然后物体从软机器人手滑落时传感器信号的变化（图 3）。结果表明，使用IPMC传感器和电容式传感器，检测电压根据软体机器人手的弯曲程度而变化，从而可以确定所抓取物体的大小。此外，据透露，IPMC传感器可以在物体滑落后立即检测软机器人手的微小振动，并且通过分析该传感电压信号，还可以检测掉落的物体。对抓取物体的软机器人手的运动进行检测为食品包装的自动化铺平了道路。
未来，通过改进IPMC传感器等离子导电聚合物传感器，我们的目标是提高信号检测能力，并根据检测到的电压估计捕获物体的尺寸和质量。这使得来自软机器人手的传感信息能够反馈到机器人手臂，从而可以对已抓取的物体进行分类或重新抓取无法抓取的物体。我们相信这项技术将有助于节省食品包装和产品收集方面的劳动力。