讓機(jī)器人擁有人類的精細(xì)觸覺！廣州科研團(tuán)隊攻克難關(guān)

觸覺是人類感受世界的重要方式，但機(jī)器人的觸覺一直不太“敏感”。機(jī)械手握瓶子，用力輕了握不住，用力重了很可能一下子捏爆，這成為機(jī)器人在實際應(yīng)用中面臨的痛點。

不久前，港科大（廣州）訾云龍教授團(tuán)隊在國際頂尖期刊《先進(jìn)材料》（《AdvancedMaterials》）上發(fā)表了最新研究成果，團(tuán)隊成功研制出全球首個亞毫米級分辨率的雙模態(tài)觸覺傳感器陣列。該技術(shù)首次實現(xiàn)了對物體表面軟硬度分布的精細(xì)觸覺感知，使機(jī)器人獲得了接近人類指尖皮膚的感知與辨析能力。

科研攻關(guān)：

將傳感器直徑降至亞毫米級

2024年，訾云龍團(tuán)隊研制出了第一代雙模態(tài)觸覺傳感器陣列，并在期刊《科學(xué)進(jìn)展》（《Science Advances》）上發(fā)表相關(guān)成果。當(dāng)時，該傳感器陣列的材料種類識別率達(dá)99.4%、材料軟硬度識別準(zhǔn)確率達(dá)100%。美中不足的是，陣列中單個觸感器的直徑達(dá)5毫米級，無法在機(jī)器人手指的狹小面積上進(jìn)行高密度陣列排布。

“我們的指紋間距大約在1毫米以內(nèi)。傳感器要做到這個尺度以內(nèi)，才能感知如指紋般精細(xì)的紋理。要想讓機(jī)器人的手指擁有人類識別軟硬的功能，傳感器的直徑必須降低到亞毫米級。”訾云龍介紹，經(jīng)過一年多的努力，團(tuán)隊終于將傳感器直徑從5毫米降低至0.35毫米。

據(jù)介紹，傳感器尺寸每縮小一步，工藝難度便呈指數(shù)級增長。傳感器陣列要做到平面與曲面的精密結(jié)合，團(tuán)隊需要將上百個亞毫米級的微型傳感單元排列整齊，每個單元都要獨立連接壓電與摩擦電兩層信號線，總計兩百余根導(dǎo)線，絕不能互相干擾。

工藝調(diào)試煞費苦心。來源：廣州日報

為了找到適合制造微柱陣列基底的材料，團(tuán)隊迭代了十幾種配方，從熱固化到光固化，經(jīng)歷了上百次失敗。“在港科大（廣州），我們不僅要以科學(xué)家思維發(fā)現(xiàn)問題，提供解決方案，更要以工程師思維交付‘實際可用的樣品’，讓科研與工程貫通，才能讓實驗室的研究成果走向真實的應(yīng)用場景。”訾云龍說。

最終，團(tuán)隊通過將皮秒紫外激光精密加工與高精度3D打印等尖端制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新融合，攻克了相應(yīng)的工藝集成難題，成功實現(xiàn)了觸覺傳感器單元的微型化，完成了亞毫米級分辨率雙模態(tài)智能觸覺傳感器的關(guān)鍵跨越。

科研應(yīng)用：

讓機(jī)器人不再“毛手毛腳”

實現(xiàn)這一突破后，團(tuán)隊積極推動成果落地轉(zhuǎn)化。目前，觸感器陣列已有眾多應(yīng)用方向。

據(jù)介紹，將來，人形機(jī)器人走入家庭，特別是實現(xiàn)照護(hù)老人小孩、做家務(wù)等功能，擁有觸感器陣列的機(jī)器人不再“毛手毛腳”，而是“抓穩(wěn)扶好”臥床老人。如果想讓人形機(jī)器人拿香蕉或水杯，也不用擔(dān)心它會捏爛或捏碎；讓機(jī)器人做家務(wù)，也不用擔(dān)心它握不住拖把。

觸感器陣列還能用于產(chǎn)品的溯源與防偽。在產(chǎn)品設(shè)計時，廠商可制作一個獨特的物理指紋，這樣，裝有觸感器陣列的專業(yè)設(shè)備或機(jī)器人一摸，便能讀取信息，真假立判。

在產(chǎn)品分揀上，觸感器設(shè)備也可以發(fā)揮作用。例如，水果的軟硬度往往代表它的成熟度，裝有觸感器的機(jī)器人可以從一堆水果中精準(zhǔn)挑出成熟度最佳的一顆。

在工業(yè)領(lǐng)域，相關(guān)設(shè)備或機(jī)器人也可以采用合適的握力，對工具進(jìn)行操控。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，觸感器設(shè)備還有望應(yīng)用于內(nèi)窺鏡，通過感知身體內(nèi)部組織硬度的細(xì)微差異，為早期診斷提供線索。

未來方向：

讓觸感器感受粗糙度和溫度

未來，團(tuán)隊還將進(jìn)一步升級觸感器陣列的功能，“希望它能有更多方面的觸覺感知，如對物體表面粗糙度、溫度、滑動等的感知。我們會試著集成這些功能，讓機(jī)器人產(chǎn)生更像人的觸覺”。訾云龍說。

此外，團(tuán)隊還在研究觸覺反饋模擬，并有望應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域。訾云龍介紹：“人體有視覺、味覺、觸覺、聽覺、嗅覺，但在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，目前能夠感受到的仍只有視覺和聽覺，如果能增加觸覺感受，將有望進(jìn)一步提升虛擬現(xiàn)實的體驗感。如在虛擬現(xiàn)實中呈現(xiàn)的一些精美文物，我們不僅可以看、可以聽、可以親手觸摸，還可以通過給表皮提供一個微電流，來模擬觸覺的反饋。”

未來，觸覺模擬反饋還有望幫助安裝假肢的殘疾人，通過對假肢的改造，結(jié)合對神經(jīng)方面的研究，可以讓殘疾人的假肢模擬出正常的觸感，并反饋到他們的大腦。這樣他們用假肢摸到一樣物體時，有望產(chǎn)生和正常人一樣的感受。

機(jī)器人的“觸覺”是怎么產(chǎn)生的？

關(guān)鍵部件

雙模態(tài)觸覺傳感器陣列 來源：廣州日報

實驗室內(nèi)，一個7mm×7mm的正方形上密密麻麻地安裝了100個直徑僅0.35毫米的觸覺傳感器，形成一塊傳感器陣列，下方則依次為摩擦電層和壓電層。裝上這套陣列后，機(jī)器人便可以精細(xì)感受物體表面的軟硬程度，一根香蕉是真是假，可以輕易逃過機(jī)器人的視覺檢測，卻逃不過裝上傳感器陣列后的手指。

1.讓機(jī)器人感知軟硬度

以往機(jī)器人觸覺傳感器通常只檢測壓力，但人的觸覺構(gòu)成遠(yuǎn)不僅是壓力，還包括物體的粗糙度、軟硬度、溫度等。團(tuán)隊的目標(biāo)就是要讓觸覺傳感器向人類的手指皮膚功能靠攏，第一步的攻關(guān)方向就是讓它先能感知物體的軟硬度。

2.壓電和摩擦電形成判斷標(biāo)準(zhǔn)

物體受壓后，會因表面軟硬程度不同，產(chǎn)生不同的變形。接觸面積的變化會反映出不同大小的摩擦電信號。持續(xù)采集該信號，就會形成一條變化曲線，再結(jié)合同一時間壓力產(chǎn)生的壓電信號變化曲線，就可以判斷物體表面某個點位的軟硬程度。

3.傳感器越小，排布越精細(xì) “觸覺”越靈敏

人類指尖每平方厘米分布著約240個觸覺感受器，能同時捕捉壓力、紋理、軟硬等多維信息，形成精準(zhǔn)的“觸覺畫像”。機(jī)器人也可依靠高密度的觸覺傳感器陣列和相關(guān)算法來實現(xiàn)這一功能。傳感器做得越小，排布越精細(xì)，陣列的“觸覺”就會越靈敏。

參考來源

廣州科技創(chuàng)新《告別 “毛手毛腳”，廣州科研團(tuán)隊讓機(jī)器人更懂輕重 | 科技周刊》

https://mp.weixin.qq.com/s/lGyN7z7IrUvXpIfKGfOk4g

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