CN116685839A - 模量传感器 - Google Patents

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CN116685839A CN202180081356.0A CN202180081356A CN116685839A CN 116685839 A CN116685839 A CN 116685839A CN 202180081356 A CN202180081356 A CN 202180081356A CN 116685839 A CN116685839 A CN 116685839A
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崔泽群
陈晓东
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Abstract

公开了一种用于测量材料特性的设备。该设备包括底座、传感器、压头以及锁定装置。传感器与底座固定连接；压头可滑动地连接于底座以响应于压头与材料表面的第一抵接而在轴向方向上相对于底座移动，使得压头在轴向方向上向传感器提供推力。锁定装置被构造成响应于底座与材料表面的第二抵接而将压头可释放地锁定于锁定状态，其中处于锁定状态的压头被防止沿轴向方向相对于底座移动。还公开了一种测量材料杨氏模量的新方法。

Description

模量传感器
本申请要求2020年12月4日提交的新加坡专利申请号10202012110R的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及测量领域，尤其涉及一种测量材料柔软度相关特性的设备和方法。
背景技术
柔软度的触觉感知使人类能够感受到物体的机械性能。人工触觉或人类触觉再现的应用变得越来越广泛，从机器人技术、虚拟现实和增强现实到临床诊断。在几种类型的触觉中，柔软感在日常生活中很常见。例如，在处理豆腐等柔软物体时，或者医疗专业人员诊断过程中，触诊用于疾病预诊。传统上，材料柔软度测量或柔软程度需要稳定的样品和已知尺寸的切割良好的样品，这使得在包括触觉、机器人、诊所和化妆品在内的许多场景中难以进行快速的现场测量。
发明内容
在一个方面，本公开提供一种被设置为测量材料特性的设备。该设备包括底座、传感器、压头以及锁定装置。传感器与底座固定连接；压头可滑动地连接于底座以响应于压头与材料表面的第一抵接而在轴向方向上相对于底座移动，使得压头沿轴向方向向传感器提供推力。锁定装置被设置为响应于底座与材料表面的第二抵接而将压头可释放地锁定于锁定状态，其中处于锁定状态的压头被阻止相对于底座沿轴向方向移动。
优选地，传感器被设置为响应于接收到的推力可操作地提供测量信号。优选地，传感器被设置为在压头处于锁定状态的同时可操作地提供测量信号。优选地，测量信号对应于材料特性的定量测量。优选地，测量信号对应于材料的杨氏模量值。优选地，测量信号与材料的杨氏模量值直接相关。优选地，测量信号对应于材料的触觉感受的定量测量。
在一些实施例中，传感器包括应变片，应变片的相对边缘部与底座固定耦合，使得应变片以未变形状态设置在横向平面中，横向平面垂直于轴向方向，并且其中应变片可通过压头推压应变片而变形为变形状态，处于变形状态的应变片通过沿轴向方向的偏移而部分地移出横向平面。优选地，压头被设置为接触应变片。优选地，应变片在锁定状态下被压头变形，以提供对应于材料的杨氏模量值的应变片读数。优选地，传感器包括弹性地耦接于压头的压力传感器。
在一些实施例中，压头包括第一端以及第二端，第一端设置在底座之外并设置为与材料的表面接触；第二端靠近传感器布置，其中压头设定有延伸穿过第一端和第二端的压头轴线，当压头处于锁定状态时，压头轴线平行于轴向方向。优选地，第一端的特征在于杨氏模量值大于材料的杨氏模量值。优选地，第一端包括半球形尖端。
在一些实施例中，锁定装置包括盖及至少一个夹持元件。该盖耦接于底座；该至少一个夹持元件弹性地耦接于该底座，其中该至少一个夹持元件被设置为在不平行于轴向方向的夹持方向上被所述盖移位，使得该至少一个夹持元件响应于第二抵接可释放地锁定压头。优选地，锁定装置包括至少两个夹持元件，该至少两个夹持元件围绕压头沿直径布置并且构造成协作地可释放地锁定压头。优选地，每个夹持元件设定有相对于夹持平面斜置的斜表面。优选地，每个夹持元件设定有朝向压头增加的厚度。优选地，如果压头处于未锁定状态，则所述盖被偏压与底座分开一定间距，并且其中所述盖响应于力以相对于底座与轴向方向相反地移动。优选地，所述盖可与斜表面可滑动地接合，使得所述盖相对于底座的、与轴向方向相反的运动转化为至少一个夹持元件在夹持方向上的运动，以可释放地锁定压头。
在一些实施例中，所述盖包括凸部；以及至少一个致动腿，所述至少一个致动腿平行于轴向且相对于轴向方向从凸部延伸，所述至少一个致动腿可滑动地接合于斜表面，其中所述盖及底座可伸缩地移动，以可释放地将至少一个夹持元件锁定于压头。优选地，至少一个夹持元件在夹持方向上的位移使该至少一个夹持元件在锁定位置处与压头抵接，其中锁定位置是沿着压头主体的连续的多个潜在锁定位置之一。优选地，压头主体设定有延伸穿过压头的第一端及压头的第二端的压头轴线，并且其中至少一个夹持元件与压头的抵接设置压头轴线平行于轴向方向。优选地，该设备被设置为可附接于末端执行器或用户。
还公开了一种触觉设备。触觉设备包括如上所述的设备以及处理器；所述处理器耦接于传感器，并被设置为获取对应于材料特性的测量信号。优选地，处理器被设置为基于测量信号确定材料的杨氏模量值。触觉设备还可以包括耦接于该设备的用户界面，该用户界面被设置为输出材料的杨氏模量值。触觉设备还可以包括耦接于该设备的遥测设备，该遥测设备被设置为执行从传感器获取至少一个测量信号的方法；以及基于至少一个测量信号，将杨氏模量值及/或多个杨氏模量值的趋势传输到用户界面及/或计算设备。
还公开了一种用于可量化触诊的工具。该工具包括如上所述的设置为测量材料特性的设备、附件及用户界面。该附件可附接于所述盖；该用户界面被设置为基于来自该设备的对应的多个测量信号显示数据。
另一方面，本公开包括一种材料柔软度的测量方法。该方法包括使设备的压头与材料的表面接触，其中压头从底座的接触表面突出，并且其中压头被设置为相对于底座向内缩回，使得压头对传感器提供沿轴向的推力；从传感器获得对应于压头与底座之间的相对位移的测量信号，其中相对位移受接触面与材料表面接触的限制。该方法还可以包括：在获得测量信号之前，响应于接触表面接触材料的表面，将压头相对于底座锁定。优选地，测量信号对应于材料柔软度的定量测量。优选地，测量信号对应于材料的杨氏模量值。
在一些实施例中，被设置为测量材料的特性的设备，根据上述任意设置的设备，其中传感器包括在未变形状态下设置在横向平面中的应变片，横向平面垂直于轴向方向，其中应变片可通过推力变形到变形状态，其中处于变形状态的应变片在轴向方向上部分地移出横向平面偏移量。
附图说明
图1A示出根据本公开的一个实施例的便携式触觉设备；
图1B示出根据本公开的另一个实施例的触觉设备；
图1C是根据本公开另一实施例的触觉设备的示意图；
图2是根据本发明一个实施例的设备的立体图。
图3A和3B分别是图2的设备沿剖面AA和剖面BB的剖视图；
图4是图2的设备的分解图；
图5是图2的设备处于未锁定状态的剖视图；
图6是图5的局部放大图；
图7是图2所示设备处于锁定状态的剖视图；
图8是图7的局部放大图；
图9是图2所示设备沿BB剖面的剖视图；
图10是图2所示设备处于锁定状态的剖视图；
图11是根据另一个实施例的设备的剖视图；
图12是图11所示设备的另一视图；
图13是根据另一个实施例的设备的截面图；
图14示出图2所示设备相对于指尖定位以供使用；
图15是一个柱状图，示出多个调查参与者施加的轻柔触摸力的分布；
图16是压力对应变片电阻的曲线图；
图17A至17F是显示本公开的设备的性能的曲线图；
图18A至18F是杨氏模量的理论和实验结果比对图；
图19示出根据一个实施例的用于可量化触诊的系统；
图20是从图19的系统获得的健康脚背和肿胀脚背的测量图；
图21是各种软材料的测量图；
图22是图21的测量值与理论计算值的比对图；
图23为本实施例一个实施例的方法流程示意图；
图24A至24D是表示传感器的一个示例的制造方法的示意图；及
图25A至25C是显示装置的替代实施例的示意图。
具体实施方式
在本说明书中，术语“一个实施例”、“另一个实施例”或“一实施例”(或类似术语)的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个段落中“在一个实施例中”或“在一个实施例中”等的描述，可以指多于一个实施例。此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。在下文的描述中，提供了许多具体细节以给出对实施例的透彻理解。相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或使用其他方法、组件、材料等实践各种实施例。在其他情况下，一些或所有已知的结构、材料或操作可以不被显示或详细描述以避免混淆。
“示例性”一词在本文中指代“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为优选的或优于其他实施例。如本文所用，单数“一个”和“一”可被解释为包括复数“一个或多个”，除非从上下文中另有说明。
诸如“第一”和“第二”之类的术语仅出于简洁和清楚的目的在描述和权利要求中使用，并且不一定暗示优先级或顺序，除非上下文另有需要。应用于规定数值的术语“约”和“大约”包括本领域普通技术人员所理解的精确值和合理的公差，并且术语“通常”和“实质上”是指以类似的方式理解，除非另有说明。
为了简洁起见，术语“杨氏模量”、“材料弹性”、“材料刚度”和“材料的弹性”是指材料特性，并且在本公开中可以互换使用。
通常，测量材料的杨氏模量需要测量完整的应力-应变曲线，以及了解被测材料的其他特性。除了由涉及的多参数/多变量计算导致的庞大系统外，稳定和切削加工良好的样品的要求阻碍了现场测量及按实际需要的快速测量。这种传统方法显然不适用于非标准材料(例如患者身体的一部分)的现场测量。应当理解，一些材料通常被认为是“柔软的”，但通常，“柔软度”难以客观地定义或量化。术语“触觉响应”、“触觉感觉”和“触觉反馈”在本文中可以互换使用，以指代用户体验到的柔软感知或触觉感觉。例如，这种柔软度感知可以是当用户触摸物体时该物体的柔软度。这种柔软感通常只能由用户的手指感知，其中用户皮肤、肌肉、肌腱和关节中的机械刺激感受器会响应手指上的压力以产生神经信号。因此，柔软度感知通常被理解为主观感受或感觉。下文介绍一种测量材料杨氏模量的新方法，包括但不限于软质材料。根据本公开的实施例，下文通过非限制性示例描述测量材料的柔软度相关特性(这里通常称为“柔软度”)的设备和方法，以单一定量测量的形式，例如材料的杨氏模量值，示出触觉感觉或触觉反馈。该设备及方法适用于软质材料，包括但不限于杨氏模量值从几十千帕(kPa)到几兆帕(MPa)的材料。
“触诊”一词是指一种临床诊断方法，由受过训练的医务人员用手指或手触摸患者，感觉肿胀、胀气、皮下硬块、人体/肌肉/组织的柔软度等。通常，施加在目标区域上的触诊力的大小因触摸而异，并且需要训练有素且经验丰富的医疗专业人员施加一致的触诊以正确诊断患者的状况。材料柔软度的测量可以作为广泛应用的基础，包括但不限于触诊(例如用于临床诊断)、按摩工具(例如用于理疗或美容目的)、触觉敏感工具(例如用于手术器械、用于医疗或美容目的的药物和/或乳膏的应用)，监测条件，例如皮肤弹性(用于医疗或美容目的)，用于产品质量评估、分类和/或质量控制的工具(例如用于检查水果的成熟度)等。本文使用的术语“测量”应广义理解，而不是局限通过测量材料(例如，物体或主体)柔软度实现的潜在应用。
图1A示出根据本公开的一个实施例的模量传感器200(可互换地称为设备200)。模量传感器或设备200可用于多种应用，包括但不限于提供对应于材料的杨氏模量的定量测量。设备200可选地耦接于手柄/附件400，以构成手持或便携式触觉设备300。设备200被设置为可由用户20操作，使设备200与材料的表面50或目标物接触，以感测其柔软度和/或触诊目标区域。可以在触觉设备300中提供遥测设备320。触觉设备300可以被设置为通过电缆或无线方式(如图所示)与计算设备(未示出)通信，使得由设备200获得的测量信号可以被存储、显示及/或使用。触觉设备300可以被设置为用于可量化触诊的工具，例如适合医疗专业人员使用的工具。可以在附件400上提供诸如显示器500的用户界面，以基于从设备200获得的测量信号提供实时及/或基本上即时的指示或读数。如下文将描述的，设备200被设置为提供更一致和可量化的触诊，并因此提供更准确的临床诊断。触觉设备300还被设置为提供实时测量，使得触觉设备可以用作床边临床诊断的实用工具。
图1B示出触觉设备300的另一个实施例，包括被设置为用于测量柔软度和/或提供触诊等的设备200。设备200可以与附件400耦接，附件400也作为用户20的手柄，以及容纳遥测设备320。触觉设备300可以被设置为无线地或通过电缆502(如图所示)与计算设备(未示出)通信，使得由设备200获得的测量信号可以被存储、显示及/或使用。
设备200有益地使触觉设备300能够在使用过程中以不同的姿势被手握持。例如，触觉设备300可以以各种不同的姿势被握持，例如在被以多种不同的握持状态下被使用。例如，触觉设备300可以像刷子(图1A)或像笔(图1B)一样被握持。如将在下文中描述的，设备200被设置为即使触觉设备300和表面50没有严格正交对齐，它也可以自我校正以提供有意义的测量信号。这使得触觉设备300能够手持和便携，并且适用于床边临床诊断。
图1C是根据本公开的另一个实施例的系统100的示意性框图。系统100包括触觉设备300。触觉设备300包括可操作地耦接于处理器310的设备200。处理器310可以被设置为从设备200获取对应于材料特性的测量信号。在一些实施例中，处理器310被设置为基于测量信号确定材料的杨氏模量值。触觉设备300还可以包括遥测设备320。在一些实施例中，遥测装置320被设置为从设备200获取至少一个测量信号；基于至少一个测量信号，将杨氏模量值和/或多个杨氏模量值的趋势传输至计算设备504，用于记录、计算、显示和/或其他用途。计算设备504可以具有设置为显示测量数据和/或诊断信息的用户界面500。在本示例中，触觉设备300可以耦接于可拆卸或可互换的附件400。在一些示例中，计算设备504可以是移动电子设备，例如智能手机等。在一些实施例中，附件400可以是末端执行器。在其他示例中，附件可以由用户穿戴。在一些示例中，触觉设备300可以被设置为实验室设备，以测量对象/对象52的柔软度感知。
图2至图4示出设备200的非限制性实施例，以帮助理解。图2示出与盖250连接的底座210。盖250可设置有凸部254及致动腿252。在一些实施例中，盖250可包括凸部254及至少一个致动腿252，致动腿252从凸部254平行于轴向方向82并与之相反地延伸。在该示例中，致动腿252设置有凸缘256。设备200可经由盖250的凸部254与附件400耦接。在一些示例中，凸部254可以形成为附件400的组成部分。凸部254可以设置为不同的形式，以适应应用及/或人体工程学。例如，在图1A或图1B的笔设置中，笔的主体(手柄/附件400)也可以用作凸部254。
如图3A、图3B及图4所示，底座210包括接触端215，接触端215具有开口212。接触端215提供外表面211及相对的内表面213。壁217沿轴向方向82从接触端215延伸。壁217可设置有一组挂钩216，其可释放地与致动腿252接合。通过凸缘256与挂钩216的配合接合防止盖250与底座210彼此轴向拉开。
在一些实施例中，设备200包括具有至少一个夹持元件242的锁定装置240。一个或多个夹持元件242可以设置在设备200中。在一些示例中，其中一个夹持元件242相对于压头230是可移动的，而其他夹持元件242相对于压头230是固定的。在此示例中，两个夹持元件242设置在内表面213上。夹持元件242可围绕压头230沿直径布置，并且构造成协作地且可释放地锁定压头230。两个夹持元件242都被设置为相对于压头230可移动，以锁定压头230。致动腿252搁置在相应的夹持元件242上，使得盖250和底座210被偏压，以轴向间隔开。在一些示例中，至少一个夹持元件242弹性地联接于底座210，并且可相对于开口212移动。在一些示例中，聚合物层设置在一对夹持元件242中的每一个与底座210的内表面213之间。聚合物层用作弹性粘合剂，在夹持元件242与底座210之间提供弹力/弹性耦合。在一些示例中，设备200通过3D打印使用诸如型号为FullCure 705的支撑材料形成。约200微米厚的FullCure 705材料的层243可以在3D打印过程之后保留在底座210与夹持元件242之间。FullCure 705材料层243可以用作每个夹持元件242与底座210的内表面213之间的弹性/回弹耦合。在其他示例中，弹簧形式的弹性构件可联接在至少一个夹持元件242与底座210之间。每个夹持元件242与底座210之间的弹性联接设置为将夹持元件242偏置远离开口212，同时允许夹持元件242朝向开口212的相对运动。
每个夹持元件242可设定相对于夹持平面76斜置的斜表面244。斜表面244可以是直/平面、凹面或凸面中的一种或其组合。每个夹持元件242可设定朝向压头230增加的厚度。在一些实施例中，每个夹持元件242可限定斜表面244，其具有朝向压头230且相对于夹持平面76增加的高度，具有或不具有增加的厚度。例如，夹持元件242可设置为具有相对恒定厚度的中空元件，同时仍呈现如所述的斜表面244。夹持平面76可平行于横向平面74。
从凸片254延伸的致动腿252实质上平行于轴向方向82设置。至少一个致动腿252可与相应夹持元件242的斜表面244可滑动地接合。盖及底座可沿方向88伸缩移动，以将至少一个夹持元件242与压头230可释放地锁定。盖250的运动可推动夹持元件242的斜表面244，以使夹持元件移位以朝向压头230移动。因此，盖250可滑动地与斜表面244接合，使得盖250相对于底座210与轴向方向82相反的运动转化为每个夹持元件242在夹持方向84上的运动，以可释放地锁定压头230。一个或多个夹持元件242在夹持方向84上的位移使夹持元件242在锁定位置处与压头230抵接。锁定位置可以是沿着压头230的压头主体233的连续的潜在多个锁定位置中的一个。在一些实施例中，相应的夹持元件242与压头的邻接将压头轴线86布置成平行于轴向方向82。换句话说，夹持元件242夹持在压头230上以使压头轴线86平行于轴向方向82对齐。这有利地防止压头230相对于底座210或表面50处于斜定向。
传感器220设置在由盖250及底座210限定的空腔中。传感器220被设置为与底座210处于固定联接部227，即，传感器220的至少一部分被联接为相对于底座210不可移动。在一些示例中，传感器220可以包括应变片，例如基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的压阻式应变传感器。应变片可以是多层结构。应变片的相对端221通过联接部227固定地于底座210的相应支撑件214，使得应变片在未变形状态时实质上布置在横向平面74中。横向平面74设置为实质垂直于轴向方向82。
设备200包括可滑动地连接于底座210的压头230。在该示例中，压头230可滑动穿过由底座210的接触端215限定的开口212。压头230被设置为在轴向方向82上相对于底座210移动。压头230可设置有压头主体233，其设定延伸穿过第一端232和第二端234的压头轴86。
压头230相对于底座210设置为使得第一端232延伸至设备200之外，即，第一端232设置在底座210之外。在使用中，设备200被带到待测试的材料/物体的表面50，使得压头230的第一端232可以与表面50接触。压头230的第一端232可以成形为具有圆形尖端或实质半球形尖端。优选地，第一端232由相对较硬的材料制成，其特征在于杨氏模量(例如，在大于1千MPa的范围内)明显大于待测试的材料/物体的杨氏模量(例如，其杨氏模量值范围小于1MPa)。
压头230的第二端234靠近传感器220设置。在传感器220包括有应变片的示例中，压头230及传感器220被布置成使得压头230的第二端234可以与应变片的一部分接触，该部分由于第二端234推动应变片而可变形。
参照图5至图10描述操作或使用中的设备200。图5示出设备200与表面50接触时的剖视图。图6是图5的局部放大图。在初始状态，压头230的第一端232与表面50接触，并且底座210的外表面211不接触表面50。如图所示，压头230被构造为响应于压头230与材料的表面50的第一抵接60，压头230沿轴向方向82被推动。当压头230接触传感器220时，压头230向传感器220提供推力72。在一些实施例中，传感器220的应变片可通过压头230推压应变片而变形为变形状态(如图9所示)。处于变形状态的应变片在轴向方向82上部分地从横向平面74偏移了偏移量224。推力72可以在轴向方向82上。或者，推力72可实质平行于轴向方向82。传感器220被设置为响应于接收到的推力72，可操作地提供测量信号。压头主体233和开口212的尺寸被设置为使得压头230可自由地滑动穿过开口212。间隙62设置在压头230与相应的夹持元件242之间，使得锁定装置240不与压头接合。压头230处于解锁状态230a并且可相对于底座210滑动。当压头230处于解锁状态230a时，盖250可被偏压与底座213分开间距21，使得盖250响应于压力以相对于底座210与轴向方向82相反地移动。
图7示出当压头230缩回(至少部分缩回)到设备200中时的设备200，其中第一端232压入表面50，并且底座210的外表面211接触表面50。底座210与表面50处于第二抵接65，或者更具体地，底座210的外表面211抵接表面50。设备200被构造为使得在底座210与表面50处于第二抵接时，压头230被锁定并且防止相对于底座210进一步移动。夹持元件242中的至少一个被设置为在夹持方向84上被盖250移位，以闭合间隙62，使得夹持元件242响应于第二支座65可释放地锁定压头230。夹持方向84可以在朝向压头230的径向方向上，并且不平行于轴向方向82。
这种自动锁定有利地使设备200易于使用并且足够稳健，以提供一致且有意义的测量。用户可以将设备200施加于表面50而不需要仔细调节通过盖250并且因此通过设备200施加到表面的力的大小。还参见图8，其示出图7的局部放大图。当底座210与表面50处于第二抵接时，盖250的任何进一步的与轴向相反的按压(例如，通过指尖向盖250提供压力)，与相应斜表面244可滑动接合的致动腿252将朝向压头230挤压夹持元件242，直到锁定装置240的夹持元件242与压头230之间可释放地接合或可释放地锁定63。在锁定状态230b，在压头与夹持元件242之间没有间隙62，并且压头轴线与轴向方向82对齐。响应于底座210与表面50抵接的第二抵接65，锁定装置240将压头230可释放地锁定在锁定状态230b(如图7至9所示)。处于锁定状态230b的压头230被阻止在轴向方向82上相对于底座210进一步移动。
图9示出压头230的第二端234推压传感器220(在该示例中为应变片)。处于变形状态的应变片在轴向方向82上从横向平面74部分地偏移有偏移量224。来自压头230的推力作用在传感器220上，以提供对应于材料特性的定量测量的测量信号。作为示例，测量信号对应于材料的杨氏模量值。夹持元件242被迫紧紧夹在压头主体233上，这同时且自动地使压头轴线86与轴向方向82基本同轴对准。在一些实施例中，当压头230处于锁定状态230b时，锁定装置240将压头轴线86布置为平行于轴向方向82。在一些实施例中，应变片在锁定状态230b被压头230变形，以提供对应于材料的杨氏模量值的应变片读数。当压头230处于锁定状态230b时，传感器220的变形，并且因此由传感器220提供的测量信号可以保持恒定或基本恒定。用户无需非常小心地手动检查和调整对齐，因为设备200被设置为确保对齐和一致的测量。在临床诊断中通常不可能将患者的身体定位成使得待测试的表面完全水平的情况下，设备200的自对准在临床诊断中也有实际用途。
图10示出设备200进一步朝向材料的表面50以形成第三抵接67的示例，其中底座210使表面55下压或变形。这可以是用户以任何按压力按压设备200的情况(即使用户试图仅使用轻柔的触摸)。致动腿252被夹持元件240阻止进一步与轴向方向82相反地移动。如果用户继续按压设备200，则夹持元件240的斜表面244还导致夹持元件240与压头230之间更强的锁定/夹持力。锁定装置240将压头230锁定在锁定状态230b，压头230不会使应变片进一步变形。将设备200压入软材料中不会改变来自应变片的测量信号。用户可以通过使用设备200持续获得有用的柔软度感知，而无需仔细调节施加的压力的量，并且无需小心确保设备相对于表面的正确定向。
一个替代实施例示于图11及图12。传感器220包括弹性地连接于压头230的压力传感器222。例如，压力传感器222可以连接于刚性板224与弹性构件226之间。刚性板224可以固定地耦接于底座210。弹性构件226可构造成可沿轴向方向82弹性变形。当压头230沿轴向方向82从解锁状态230a(如图11所示)移动至锁定状态230b(如图12所示)时，弹性件226变形并且来自压头230的推力作用在压力传感器222上，以给出对应于材料特性的定量测量的测量信号。作为示例，测量信号对应于材料的杨氏模量值。
在图13所示的其他实施例中，致动腿252中的一个或两个可限定可与相应夹持元件242的拐角246可滑动地接合的斜表面258。类似地，盖250相对于底座210与轴向方向82相反的运动被转化为每个夹持元件242在夹持方向84上的运动，以可释放地锁定压头230。
设备200可用于许多应用，包括机器人、假肢和临床诊断。图14(未按比例绘制)示出设备200如何相对于用户的指尖21、人造手指或机器人的末端执行器定位的示例。设备200可以经由盖250可释放地附接或固定于指尖21。在该示例中，指尖位于凸部254的顶面259处。盖250可设置有符合指尖曲率的曲形顶面259。在另一个示例中，盖250可以耦接于附件400，例如手指手套或假肢。在用户/末端执行器执行各种活动的过程中，设备200可以用作触觉传感器，以生成电信号，其中每个单独的电信号(测量信号)可以被转换或与柔软度的触觉感知相关联。设备200可用于增强或向用户/机器人提供触摸感官知觉。
设备200有益地设置为使得在没有力或运动反馈的情况下可实现类人柔软度感知。设备200被设置为实现传感器内信号转换，使得材料的杨氏模量是单变量，并且可以根据来自传感器220的测量信号确定。设备200还被设置为使得获得的测量信号独立于压在表面/设备200上的力。根据由图15的直方图总结的调查结果，这尤其相关。该调查记录了20个人施加的轻柔触摸力。每个调查参与者按压力传感器10次，每次都尝试轻轻触摸，但没有刻意控制所用力的强度。图15的直方图显示，调查中收集到的力值范围很广。同一人很难发出一致的触诊，不同的人在触诊时发出类似大小的力就更加困难。因此，设备200的使用与用户(或机器人)施加于设备200的盖250的力的大小或方向无关是有益的。设备200可提供一种方式，用于更一致地传递诸如触诊之类的高级临床技能以及其他应用。
将描述基于来自设备200的传感器220的测量信号以获得材料的杨氏模量的方法800的一个示例。该方法采用刚性压头230和软材料，使得Ei＞＞Es，其中Ei是压头的杨氏模量(更具体地说，是压头230的第一端232的杨氏模量)，Es是被测材料50的杨氏模量。
赫兹接触模型(Hertzian contact model)提供了一种计算材料杨氏模量的方法，假设刚性压头和球形压头之间的压力均匀分布，并假设材料的初始平面发生弹性变形。材料的杨氏模量可表示如下：
其中，Es和vs分别是材料的杨氏模量和泊松比(例如，vs是一个常数，对于不可压缩材料(如PDMS和人体组织)，约为0.5)，Fi-s是压头与材料之间的接触力，ri是压头第一端的半径，hs是材料变形(图9)。
通常，杨氏模量的计算需要两个值Fi-s和hs是已知的。传统上，用于测量接触力Fi-s和材料变形hs的实验室装置体积庞大，需要专门切割加工出的材料样品。在实践中，这样的实验室设置对于假肢或临床应用来说并不实用。
本公开的设备200被设置为将接触力Fi-s和材料变形hs这两个变量转换为一个新变量。设备200被设置为使得单个新变量可由传感器220测量，从而消除了测量接触力Fi-s和材料变形hs的需要。
在设备200与材料表面接触之前，压头230的第一端232被设置为延伸超出底座(即，从底座突出)由Lp(图3B)表示的尖端长度。当设备200被压到表面上时，压头的第一端232通过尖端位移在轴向方向上被推动z，导致压头的第二端234激活传感器220。传感器220响应于被压头230沿轴向推动而记录变化或产生测量信号。在传感器220是可拉伸应变传感器的示例中，应变传感器经历电阻变化。尖端位移z和接触力都Fi-s可以从应变传感器的应变ε1中导出(图9)。当外表面211刚好接触表面时，材料变形hs等于尖端长度(压头230在底座210外部的长度，或压头230延伸超过外表面211的长度)。因此，在这种情况下，接触力Fi-s和材料变形hs可以表示如下：
其中t是应变传感器的厚度，w是应变传感器的宽度，并且Eg是应变传感器的杨氏模量。L是压头230与底座210之间的横向距离。将式(2)和式(3)代入式(1)，材料的杨氏模量可由式(4)表示为：
其中εl由应变传感器的性能决定，
εl＝f(R) (5)
通过这种设置，材料的杨氏模量随应变传感器的电阻变为单变量：
Es＝f′(R) (6)
为了给出值的相对大小的感觉，在设备用于软材料的一些实施例中，非限制性示例性值可以Lp在0.7mm(毫米)到1.1mm的范围内，并且横向距离L可以在1毫米左右。在一些示例中，压头第一端的半径ri可为约2.5mm。在一些示例中，应变片的厚度t可为约350μm(微米)，应变片的宽度w可为约2mm，并且应变传感器的杨氏模量为约818kPa。设备200可用于食品类的物品，例如，以测试水果的成熟度，并且在所进行的一些测量中，食品呈现出的材料变形hs在大约1mm的范围内。
设备200被设置为其将自动提供对应于底座210的外表面211刚刚开始接触表面50的时刻的测量信号。此后，即使用户继续将设备200朝向表面推压，设备200也不会提供不同的测量信号。这使用设备200的原型进行了实验验证。图16示出传感器220的电阻值相对于设备200上的压力的曲线图。曲线92对应于从未设置为提供与力无关的读数的应变片读取的电阻值。如需应用赫兹接触模型，需要获取拐点P2处的应变片读数。然而，使用传统的应变片，如果不绘制出电阻在一定范围内的变化，就不可能获得P2处的读数。随着应变片上的压力增加，从应变读取的电阻值增加。压紧力过大时(如P3'点)获得的应变片读数将不准确。实际上，如图15所示，难以传递恰到好处的“轻触”力。
图16的曲线图90对应于从包括锁定装置240的设备200获得的测量信号。可以看出，对于本公开的设备200，从点P2开始，设备200输出恒定的测量信号值。点P2对应于设备200的底座210的外表面211接触材料的时刻。换言之，设备200被设置为使得P2处的有用读数可自动获得。即使通过设备200施加在对象/主体上的“轻触”力太大，设备200也被设置为输出对应于点P2的有用测量信号。因此，本文描述的设备200被设置为与力是独立的。
图17A至17F是显示本公开设备的性能的图。图17A显示设备200的传感器220在大应变范围(0～50％)上呈现出良好的线性度(R2＝0.999)和高灵敏度(应变系数，GF＝155)。在这个例子中，传感器是基于碳纳米管的应变传感器，R0是初始电阻，ΔR是初始电阻的电阻变化。图17B显示应变传感器耦接于设备200的其余部分，使得它对拉伸敏感，并且对施加在其上的弯曲力不太敏感(或不敏感)。图17C示出当用于不同材料时从本公开的设备200获得的应变读数。图17C示出实验验证从设备200获得的测量信号的力独立性的结果。相比之下，图17D显示，对于不同的材料，在获得的读数不独立于所施加的力的情况下，没有力独立特征的应变读数。测试的不同材料范围从分别为37kPa和89kPa的较软Ecoflex材料到分别为170kPa和1MPa的相对较硬的PDMS材料。图17E显示，与非力独立的应变计装置1752相比，设备200的测量误差1751明显更小(并且几乎可以忽略不计)。图17E还显示设备200优于其他设置，尤其是对于较软的材料。图17F比较了当通过设备200向不同材料施加轻触1761时及向相同材料施加重触1762时从设备200获得的测量信号。如果软海绵不变形，则触摸被认为是轻柔的，如果海绵明显变形，则触摸被认为是重压的。图17F表明，无论触摸是轻柔还是重压，都可以获得一致的测量信号。因此证明了设备200可用于提供与来自常规分析仪(TA)的多参数结果一致的单一定量测量。还证明了设备200可用于范围广泛的材料，例如，包括但不限于杨氏模量范围为37kPa至3.3MPa的材料。有益地，设备200在用于杨氏模量为约1MPa及以下的材料时表现良好。可以通过更改制造参数(例如每个元件的尺寸和传感器的杨氏模量)调整测量范围和精度。
图18A至18F是比较使用本公开的设备200获得的理论与实验杨氏模量的曲线图。图18A至18C显示设备200在不同尖端长度(Lp)与不同压头到底座横向距离(L)下的应变传感器响应的理论计算。该图表明，设备200特别适用于软材料，例如，具有相对较低的杨氏模量的材料。可以通过提供更长Lp或更短的L调整设备200的灵敏度。图18D显示设备200的测量信号对应于与使用传统设备测量的杨氏模量一致的电阻值。图18E显示测量信号与杨氏模量之间的关系的实验结果(点)与理论分析(曲线)非常吻合。图18F显示由设备200测量的杨氏模量与使用常规设备测量的杨氏模量之间的良好相关性。
图19是根据本公开实施例的原型的非限制性示例。该原型用于实验以测试设备200及系统100在提供可量化触诊方面的性能。系统100包括耦接于附件400(例如可以戴在用户的指尖21上的假指手套)的设备200。系统100包括处理器310、蓝牙发射器320及移动电源330。系统100被设置为使得触觉设备300被设置为与具有用户界面的计算设备(未示出)无线通信。可以使用其他计算设备，例如膝上型电脑、平板电脑等。在实验中，使用的计算设备是移动电话。用户界面500用于实时显示杨氏模量值，以方便临床诊断。附图还示出用户界面，其显示针对健康的脚背512和肿胀的脚背514确定的杨氏模量。
系统100用于触诊和评估关节损伤患者的肿胀身体组织的状态。图20示出从系统100获得的患者的肿胀脚背及健康脚背的杨氏模量测量值。系统100显示四天后脚背肿胀消退，建议第五天手术，符合专业医护人员的评估。图20所示误差条是根据至少五次测量计算的标准偏差。除了手术推荐之外，使用系统100获得的定量数据还可用于需要监测柔软度变化的任何研究。例如，评估药物对肿胀或肿瘤进展的影响。
图21呈现另一个实施例，其中设备200被用作方便的人工触觉，用于区分各种软材料的柔软度，例如果冻、胶状布丁、棉花糖、蛋糕、火腿肠等。由设备200测量的杨氏模量(图21中的条)对应于由用于测量各种食物的柔软度的商构分析仪(TA)测量的峰值力的趋势(图21中的点)。图22显示使用该设备获得的杨氏模量与使用TA测量的峰值力之间的良好相关性，这证明了设备200的准确性。点是来自图21的实验数据，虚线表示从赫兹接触模型(ri＝2.5mm，hs＝1mm，Fi-s＝0～700mN)的等式(1)计算的理论结果。图21及22中的误差条是根据九次测量计算的标准偏差。
图23示出测量材料的柔软度的方法800。方法800包括，在步骤810，使设备的压头与材料的表面接触。压头从底座的接触表面突出，并且压头被设置为相对于底座向内缩回使得压头提供向传感器施加轴向推力。方法800包括，在步骤820，从传感器获得对应于压头与底座之间的相对位移的测量信号，其中相对位移受到与材料表面接触的接触表面的限制。方法800还可以包括，在步骤830，在获得测量信号之前，响应于接触表面接触材料的表面，将压头相对于底座锁定。在一些实施例中，测量信号对应于材料柔软度的定量测量。在一些实施例中，测量信号对应于材料的杨氏模量值。
上述各实施例中公开一种用于测量材料特性的设备。材料的特性可以是材料柔软度的量度。材料的柔软度可以基于材料的杨氏模量值定量确定。在一些实施例中，该设备被设置为在锁定状态的同时可操作地提供测量信号。测量信号可以对应于材料特性的定量测量。例如，测量信号对应于材料的杨氏模量值。在一些实施例中，测量信号与材料的杨氏模量值直接相关。在其他实施例中，测量信号对应于材料的触觉的定量测量。定量测量可以代表不同的触觉感觉，例如“软”、“硬”、“肿”等。该设备可以用于各种应用，例如医学诊断、虚拟和增强现实应用，甚至用于日常任务，例如确定食物的软度。
为了帮助理解而不是限制，将借助图4及图24A至24D描述设备200的一种示例性制造方法。
在该非限制性示例中，传感器220包括应变传感器或应变片。为了形成线性及高灵敏度的可拉伸应变传感器，硅晶片首先用氧等离子体902(150瓦，60秒，450毫托)处理，然后用(十三氟-1,1,2,2-四氢辛基)-1-三氯氢硅蒸汽在热板上在180℃下加热2小时(图24A)。聚二甲基硅氧烷904(从Dow Corning获得的Sylgard 184材料)通过将基质与交联剂(质量比为10:1)混合、脱气(以5000转/分钟的离心转速持续5分钟)及在硅晶片上旋敷(以500转/分钟的转速持续45秒)，然后经60℃烘烤45秒制备。固化后，剥离PDMS，然后用具有预定图案908的金属掩模906覆盖，随后用氧等离子体进行亲水处理(150瓦，90秒，450毫托)。暴露区域因此变得亲水。接下来，将碳纳米管(CNT)溶液912(P3-SWNT，碳溶液)滴到PDMS的亲水区域918上(图24B)。当CNT溶液在室温下蒸发数小时后，沿亲水区域的边缘形成咖啡环(CNT环930)，与金属掩模的图案相同。如图24C的虚线所示，沿着切割轮廓922切割PDMS。然后，PDMS被另一个PDMS条带(具有相同厚度的预固化PDMS)覆盖940。上部PDMS条在其端部具有两个孔942，用于连接作为传感器电极的镓-铟共晶(EGaIn)。再在60℃下烘烤4小时后，将所得产品切成宽2mm、厚约350m的条状，在夹层结构的中心可以看到一条CNT直线950。
可以理解，虽然制作本征大变形应变传感器的方法被描述为提供传感器220的方法，但是可以选择其他类型的传感器用作设备200的一部分。虽然应变传感器和压力传感器是可选择用作设备200的一部分的传感器的示例，但设备200有益地可与范围广泛的传感器一同操作以适应不同的应用。例如，传感器220可以包括如上文所述的应变传感器(也称为大变形应变传感器或可拉伸应变传感器)，即，其本质特征在于在相对小的推力下具有相对大的变形的传感器或相对较小的位移。或者，传感器220可包括选自常规应变片的应变传感器。在其他实施例中，传感器220可以包括弹性地耦接于压头的应变传感器，弹性构件例如板簧或悬臂弹簧耦接于压头和应变传感器之间。当压头向应变传感器移动时，弹性件发生变形，压头的推力作用在应变片上，产生测量信号。传统的应变片可以设置为它们只能轻微变形或变形小于大变形应变传感器，并且可以选择用于可用性及成本效率比具有更灵敏的传感器更重要的考虑因素的应用。可替代地，传感器220可以包括压力传感器，即，被设置为响应于接收到压力(具有或不具有产生的机械变形)而提供测量信号的传感器。在一些示例中，传感器220包括本质上以在接收到相对小的压力时具有相对大的变形为特征的压力传感器(也称为大变形压力传感器或可伸缩压力传感器)。可替代地，传感器220可以包括具有经历相对小变形的可变形结构的传统压力传感器(诸如图11和12的示例)。压力传感器可以是一种可通过压头推压压力传感器而变形为变形状态的传感器，以响应于接收到推力可操作地提供测量信号。在一些替代实施例中，压力传感器可以是薄膜压力传感器或电阻式墨水压力传感器。传感器220可以被设置为提供基于电阻值、电容、电压等的测量信号。
设备200的不同实施例的示例包括但不限于图25A至25C示意性示出的那些。图25A是部分示意图，示出具有与夹持元件242的斜表面相交的致动腿252的凸片254。夹持元件242通过弹性联接器243耦接于底座210。弹性联轴器243可包括但不限于板簧。弹性联接器243的取向可不同于图25A中所示的示意图。传感器220处于与底座210的固定联接器227中，其中传感器220的一部分可通过压头230从未变形状态(其中传感器220实质上布置在横向平面74中)变形为变形状态偏移量224。压头230沿轴向方向82的运动受到限制。致动腿252导致相应的至少一个夹持元件242在夹持方向84上移动并且可释放地锁定压头230，使得锁定状态230b对应于变形状态。图25B示意性地示出设备200的另一个实施例的一部分，为清楚起见省略了一些组件。传感器220包括与底座210固定耦接227的梁225及连接于梁225的感测元件223(例如但不限于压力传感器222)。感测元件223可经由弹性构件226耦接于压头230。图25C是设备200的又一实施例的局部示意图。传感器220包括在与底座210的固定耦接227中的梁225及耦接于梁225的感测元件223(诸如但不限于应变片)。梁225相对于底座210悬臂。横梁225的自由端通过弹性件226连接于压头230。
为了制造设备200的其余部分，可以使用包括但不限于增材制造或3D打印的方法。例如，对于所进行的一些实验，使用商用3D打印机(Eden 260V，可从Stratasys获得)打印设备200的部分。使用的材料包括RGD 525和VeroClear，并且使用的支撑材料是FullCure705。压头230由RGD 525材料打印出，其提供具有2～3GPa范围的杨氏模量(E)的圆形或基本半球形尖端(第一端232)。也就是说，与待测量的目标材料(杨氏模量(E)<4MPa)相比，压头230可以被认为是刚性压头。
设备200的组装方法可取决于部件被3D打印的方式。该方法可以包括，例如但不限于，将压头230插入到底座210中，尖端(第一端232)被插入延伸超过底座210。然后用氧等离子体(150瓦，90秒，450毫托)处理底座210、压头230及传感器220以增加表面能。接下来，例如通过粘合剂将传感器220(例如上述的线性可拉伸应变传感器)耦接于底座210的相应支撑件214。压头230的第二端234可以通过例如粘合剂联接于传感器220的可变形/可移位/感测部分。所使用的粘合剂可以是环氧树脂粘合剂，部件可以在室温下放置24小时固化。最后，盖250组装于底座210。盖250及底座210可通过两对挂钩或弹性扣件防止彼此分离。可以加装微控制器单元(例如，Arduino Nano模块，例如ATmega328P)以读取测量信号，并且可以添加蓝牙发射器模块(例如，HC-06蓝牙模块)以传送测量信号。
以可替代方式描述，参照图4，根据本公开的实施例的制造设备200的方法可以包括：将应变片/传感器220耦接于底座210，使得处于未变形状态的应变片的第一平面布置在横向平面74中；将压头230与底座210组装在一起，使得压头的第一端232从底座210的接触表面/接触端215突出，并且压头的第二端234接近应变片/传感器220的第一平面。压头230被设置为沿垂直于横向平面74的位移轴/轴向方向82与底座相对位移，使得第二端234使应变片/传感器220沿着位移轴/轴向82离开横向平面变形偏移量224；并且围绕压头230布置一对夹具/一个或多个夹持元件242，该对夹具/一个或多个夹持元件242被设置为由与底座210滑动接合的盖250致动，使得偏移224是受限的。参照图24A至24D，如上文所述的方法，其中传感器220包括应变片，该应变片通过包括以下步骤的工艺制成：在第一聚合物膜904上提供金属掩模906(991)；用氧等离子体902处理聚合物膜的暴露部分908以形成亲水区918(991)；将碳纳米管(CNT)912的水性混合物置于亲水区918上以形成CNT咖啡环930(992/993)；用第二聚合物膜940密封CNT咖啡环930以形成分层结构960(994)。
设备200在广泛的应用中是有用的。例如，设备200可以是美容工具或美容辅助工具的一部分。设备200可以集成在移动美容设备中以监测或测试皮肤弹性。由于设备200即使在用户不是受过训练的专业人员的情况下也可以提供有意义的测量信号，所以设备200可以被设置为适合普通消费者日常使用的消费产品。设备200也可以以用于临床诊断的医疗器械的形式或以手术器械的形式提供。与在典型实验室中的传统材料表征仪器相比，设备200还可以以机械表征仪器的形式提供，其更便携、成本效率更高并且更易于使用。从以上描述可以理解，术语“测量”材料的特性可以广义地理解为包括提供定量测量、特性是否高于或低于阈值的指示、特性是否为阈值的指示、是否在一个范围内，等等。设备200可以被设置为测量杨氏模量大于1MPa的材料。
本文描述的所有示例，无论是设备、方法、材料或是产品，都是出于说明和帮助理解的目的而呈现的，并不旨在限制或详尽无遗。在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以做出各种改变和修改。

Claims (34)

1.一种设置为测量材料特性的设备，其特征在于，所述设备包括：
底座；
传感器，所述传感器与所述底座固定连接；
压头，所述压头可滑动地连接于所述底座，以响应于所述压头与材料表面的第一抵接而在轴向方向上相对于所述底座移动，从而使得所述压头在轴向方向上向所述传感器提供推力；以及
锁定装置，所述锁定装置被设置为响应于所述底座与材料表面的第二抵接而将所述压头可释放地锁定在锁定状态，其中处于锁定状态的所述压头被阻止相对于所述底座沿轴向方向移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述传感器被设置为响应于接收到的所述推力可操作地提供测量信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述传感器被设置为在所述压头处于锁定状态的同时可操作地提供测量信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述测量信号对应于材料特性的定量测量。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其中所述测量信号对应于所述材料的杨氏模量值。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备，其中所述测量信号与材料的杨氏模量值直接相关。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备，其中所述测量信号对应于所述材料的触觉感觉的定量测量。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述传感器包括：
应变片，所述应变片的相对边缘部与所述底座固定耦接，使得所述应变片以未变形状态设置在横向平面中，所述横向平面垂直于所述轴向方向，并且其中所述应变片通过压头推压应变片而变形为变形状态，处于变形状态的所述应变片通过沿轴向方向的偏移而部分地移出所述横向平面。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述压头被设置为接触所述应变片。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中所述应变片在锁定状态下被所述压头变形，以提供对应于所述材料的杨氏模量值的应变片读数。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述传感器包括弹性耦接于所述压头的压力传感器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其特征在于，所述压头包括：
第一端，所述第一端设置在所述底座之外并且设置为与材料的表面接触；及
第二端，所述第二端靠近所述传感器设置，
其中所述压头设定有延伸穿过所述第一端及所述第二端的压头轴线，并且其中所述压头处于锁定状态时所述压头轴线平行于轴向方向。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述第一端的杨氏模量值大于所述材料的杨氏模量值。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其中所述第一端包括半球形尖端。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述锁定装置包括：
盖，所述盖耦接于所述底座；及
至少一个夹持元件，所述至少一个夹持元件弹性地连接于所述底座，其中所述至少一个夹持元件被设置为在不平行于轴向方向的夹持方向上被所述盖移位，使得所述至少一个夹持元件响应于第二抵接可释放地锁定所述压头。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述锁定装置包括至少两个夹持元件，所述至少两个夹持元件围绕所述压头沿径向布置并且被构造成协作地可释放地锁定所述压头。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的设备，其中每个所述夹持元件设定相对于夹持平面斜置的斜表面。
18.根据权利要求17所述的设备，其中每个所述夹持元件设定朝向所述压头的增加的厚度。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的设备，其特征在于，当所述压头处于未锁定状态时，所述盖被偏压与所述底座分开一个间距，并且其中所述盖响应于力相对于所述底座反向于所述轴向移动。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的设备，其中所述盖可与所述斜表面可滑动地接合，使得所述盖相对于所述底座的、与所述轴向方向相反的运动被转换为所述至少一个夹持元件沿所述夹持方向的运动，以可释放地锁定所述压头。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述盖包括：
凸部；及
至少一个致动腿，所述至少一个致动腿从所述凸部平行且与轴向方向相反地延伸，所述至少一个致动腿可滑动地接合于所述斜表面，其中所述盖及所述底座可伸缩地移动，以可释放地将所述至少一个夹持元件锁定于所述压头。
22.根据权利要求15至16中任一项所述的设备，其中，所述至少一个夹持元件在夹持方向上的位移使所述至少一个夹持元件在锁定位置处与所述压头抵接，其中，所述锁定位置是沿着所述压头的压头主体的连续的潜在锁定位置之一。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述压头主体设定延伸穿过所述压头的第一端及所述压头的第二端的压头轴线，并且其中所述至少一个夹持元件与所述压头的抵接将所述压头轴线布置为与所述轴向平行。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的设备，其被设置为可附接于末端执行器或用户。
25.一种触觉设备，包括：
根据权利要求1至24中任一项所述的设置为测量材料特性的设备；及
处理器，所述处理器耦接于所述传感器并且被设置为获取对应于材料特性的测量信号。
26.根据权利要求25所述的触觉设备，其中所述处理器被设置为基于所述测量信号确定所述材料的杨氏模量值。
27.根据权利要求25或26所述的触觉设备，还包括耦接于所述设备的用户界面，所述用户界面被设置为输出所述材料的杨氏模量值。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的触觉设备，还包括耦接于所述触觉设备的遥测设备，所述遥测设备被设置为执行包括以下的方法：
从所述传感器获取至少一个测量信号；及
基于所述至少一个测量信号，将杨氏模量值及/或多个杨氏模量值的趋势传输至所述用户界面及/或计算设备。
29.一种用于可量化触诊的工具，所述工具包括：
根据权利要求1至28中任一项所述的设备；
附件，所述附件可附接于所述盖；及
耦接于所述设备的用户界面，其中所述用户界面被设置为基于来自设备的对应的多个测量信号显示数据。
30.一种材料柔软度的测量方法，所述方法包括：
使设备的压头与材料的表面接触，其中所述压头从底座的接触表面突出，并且其中所述压头被设置为相对于所述底座向内缩回，使得所述压头沿轴向提供推力至传感器；及
从所述传感器获得与所述压头与所述底座之间的相对位移相对应的测量信号，其中所述相对位移受限于与所述材料表面接触的接触表面。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括：在获得所述测量信号之前，响应于所述接触表面接触材料表面，将所述压头相对于所述底座锁定。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述测量信号对应于材料柔软度的定量测量。
33.根据权利要求30或32所述的方法，其中所述测量信号对应于材料的杨氏模量值。
34.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述传感器包括：
应变片，所述应变片在未变形状态下设置于横向平面中，所述横向平面垂直于所述轴向，其中所述应变片可通过推力变形为变形状态，其中处于变形状态的所述应变片通过所述轴向方向的偏移量部分地移出横向平面。
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