為機器人打造一款類人的感知“皮膚”

剛柔并濟柔性觸覺傳感器貼附于機器人手模擬類人倒水操作。 廈門大學供圖

智能機器人如何實現類人的高靈巧操作？觸覺傳感器在當中起到至關重要的作用。這就好比皮膚之于人，智能機器人的“皮膚”——觸覺傳感器越靈敏，類人操作也就越靈巧。

近日，廈大航空航天學院教授周偉團隊在柔性觸覺傳感器研究領域取得重要進展，提出了可以實現超靈敏高頻動態力檢測的柔性觸覺傳感器新工作模式，突破并顯著提升了傳統傳感器靈敏度的理論極限值。這意味著，有了該傳感器，機器人操作靈巧度將有望得到大大提升。

這一研究成果發表在《自然—通訊》上，廈大航空航天學院機電工程系博士后張金惠為論文第一作者。

超靈敏高頻動態力檢測

讓機器人來幫我們倒水，實現的可能性大嗎？

接觸杯子、開始倒水、判斷接水量、接幾分滿、送到指定位置、放下杯子。這些我們再平常不過的操作，對智能機器人而言，能否精準操作絕對是個考驗。

成功與否，智能機器人的“皮膚”，也就是觸覺傳感器在當中起了至關重要的作用。當一款適合的柔性傳感器貼附于機器人的手時，機器人整個倒水過程就可以精確地被檢測到，以此輔助它進行類人的高靈巧操作。

這樣的場景，在周偉團隊的實驗室上演了很多次。

當前，在智能機器人動態力檢測應用中，常常使用壓電式柔性觸覺傳感器，但傳統的壓電式柔性觸覺傳感器靈敏度受限于自身靈敏度理論極限值。也就是說，智能機器人的“皮膚”從接受到指令到執行操作的靈巧度并不如人意。

周偉團隊的突破在于為智能機器人“皮膚”提出了全新的工作模式，大大提升了智能機器人“皮膚”的靈敏度。

周偉表示，研究工作受節肢動物結構組成的啟發，提出的這種仿生型“剛柔并濟”柔性觸覺傳感器，不僅可提升柔性材料的力傳遞效率，而且顛覆了傳統壓電式柔性觸覺傳感器的工作模式，使傳感器靈敏度得到顯著提升且可達到理論極限值的17倍，并具有5-600 Hz寬帶寬、0.009-4.3 N線性檢測范圍和實時力方向識別的優異性能。

也就是說，有了該傳感器，智能機器人的操作會更靈巧，也會更靈敏地感知外界作用力的大小和方向。

該團隊介紹，該研究成果為壓電式觸覺傳感器進一步深入研究提供了新方法和新思路，尤其是對智能機器人建立類人的觸覺感知系統具有重要的理論研究價值和意義。

完美融合的“剛柔并濟”

這款完美融合的“剛柔并濟”的類人感知“皮膚”怎么來的呢？研究之初，周偉團隊就一直在思考這個課題并付諸實踐。

柔性的基體加上剛性的微結構——這種類節肢動物的剛柔并濟結構能否實現？兩年時間里，一次又一次疊加的失敗經歷，該團隊一直在努力嘗試——畢竟并不是任意的剛柔并濟就可以組成想要的結構。

環氧樹脂、石蠟、聚二甲基硅氧烷、硅膠……這兩年，張金惠似乎化身為“材料專家”，以及“排列組合專家”。“我們的方向和目標是明確且正確的，只是沒有找到最佳的方案。” 張金惠說，“當然，科研就是一個不停試錯的過程，持之以恒、堅持不懈是最有效的，也是最有用的解決問題的辦法。”

成百上千次的實驗，最終摸索出完美融合的“剛柔并濟”結構。廈大航院實驗室里的“機械臂”就是在這樣的探索下成功實現了對動態力的超靈敏感知及靈巧操作。

“未來，該觸覺傳感器不僅適用于智能機器人，也有望在醫療、汽車、可穿戴設備等領域進行運用。”周偉說。