武汉大学黄俊副教授:面向机器人热管理与温触觉感知的微尺度传热传质过程调控机理及应用研究

随着机器人技术的跨越式发展，其应用边界已从传统工业制造延伸至极端环境作业、人形机器人平台、精密医疗等前沿领域。在系统迈向高集成度与强智能交互的演进过程中，热物理问题逐渐成为制约机器人系统性能提升与可靠运行的核心瓶颈：一方面，随着驱动器、计算单元等高功耗部件的深度集成，局部热流密度急剧攀升，亟需通过强化传热过程防范热失控风险，为系统的持续稳定运行奠定热安全基础；另一方面，为了使机器人具有类人环境感知能力，则依赖于对柔性传感材料热质输运机理的深度发掘，以热质输运特性为信息载体，开发出高精度、高稳定性的新型柔性温触觉感知皮肤，为机器人赋予感知世界和完成精细操作的能力。本文重点介绍课题组围绕“机器人热管理与温触觉交互”主题开展的微纳材料热物性测量、高性能热管理材料与系统的优化设计、柔性温触觉传感、多孔介质传热传质过程调控与应用等领域的相关探索性研究工作进展。

图1. 单颗粒热导率测量方法与ZIF-8颗粒测量结果

图2.热-力耦合测试系统及弯曲硅纳米线热导率原位测量结果

图3. 微尺度热-电-力综合性能全自动原位测试平台

图4. 基于编织-热压工艺的规模化聚乙烯导热性能定向优化

图5. 偏振拉曼光谱定量表征聚乙烯膜分子链取向度演化特性及热导率调控机理

图6. 温触觉双模态感知水凝胶电子皮肤

图7. 温触觉双模态感知水凝胶电子皮肤

本系列工作围绕机器人系统热管理与温触觉交互领域的关键技术和科学问题，构建了从基础热物性表征方法开发到传热传质机理研究，再到高性能热管理材料和温触觉感知功能器件开发的完整研究链条。成功攻克了微纳尺度下接触热阻对热导率测量的干扰难题，实现了单颗粒及应力耦合下纳米线热导率的高精度解耦测量，并通过引入显微视觉识别算法开发出全自动原位测试平台；利用高取向纤维编织-热压工艺实现了导热通道在三维空间的自由构筑，研制出兼具高导热、强绝缘与电磁透明特性的柔性散热薄膜；建立了水凝胶多孔介质中孔隙变形与溶质迁移的耦合模型，开发出具备高灵敏度、高分辨率及强稳定性的温触觉双模态电子皮肤，为机器人热管理与感知系统的优化与集成提供关键的热物理理论支撑与核心硬件保障。

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