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。
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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
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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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