機器人有了“皮膚”觸覺

來源：人民號

記者：褚 君

機器人能否像人類一樣，擁有一層柔軟、靈敏、能知冷知熱的“皮膚”？近期，英國劍橋大學和倫敦大學學院的研究團隊在《科學·機器人學》雜志上發表一項成果：他們研發出一種新型柔性導電機器人“皮膚”，可同時感知壓力、溫度等，甚至可以區分多個接觸點，以類似人類的方式獲取周圍環境信息。論文第一作者、劍橋大學工程系博士大衛—哈德曼在接受本報記者采訪時表示：“這款‘皮膚’由單一材料制成，僅需一種傳感器，就能夠同時識別多種刺激，并且可塑造成各種復雜形狀，這在以前是難以實現的。”

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人體皮膚內分布有感覺神經及運動神經，其神經末梢和特殊感受器廣泛分布在表皮、真皮及皮下組織內，以感知體內外的各種刺激，產生各種感覺，引起相應的神經反射。傳統機器人“皮膚”多依賴微機電系統，在表面鋪設大量微型傳感器以模擬人類神經系統。然而這類方案制造工藝復雜、軟硬材料易分層、結構脆弱，且傳感器之間常存在信號干擾，難以實現大面積部署，功能也遠未達到人類皮膚的綜合感知水平。

此次英國研究團隊的重要突破，是讓機器人用一種傳感器就識別出多種不同的刺激。這種名為“電阻抗斷層掃描”的檢測方法，通過在單層水凝膠膜周圍設置32個電極，每4個電極組合成1個測量單元，可生成超過86萬種不同的電流路徑組合，形成高密度、全覆蓋的傳感網絡。比如，研究人員先通過一對電極在水凝膠“皮膚”上施加微弱電流，當外在條件變化時，如溫度升高、濕度改變、接觸物體等，水凝膠的電學特性隨之改變，進而使此前施加的電流發生變化。另一對電極則實時監測這一變化。通過分析電流模式的差異，系統即可判斷出這塊“皮膚”受到了什么刺激。

由于“皮膚”每時每刻都在接受外界傳來的多種刺激，其產生的“電信號”復雜多元。為有效處理這些信息反饋，研究團隊引入人工智能算法訓練，使系統能夠自主學習并識別哪些電極組合可以最有效地區分特定刺激。簡而言之，這些電極作為“神經”，人工智能作為“大腦”，特定的電信號被“大腦”識別后解讀為對應的“感覺”，由此機器人也有了“觸覺系統”。

此次研究的另一重要創新體現在其選用的柔性材料上。該材料為水凝膠，是一種極為親水的三維網絡結構凝膠，導電性能好、柔軟可塑，對機械力、溫度和濕度均敏感。它可以直接塑造出復雜的形態，例如等比例的成人手掌模型等。用水凝膠制成的仿真“皮膚”，更加柔軟且有觸覺，為構建高度仿生、性能穩定的下一代人工皮膚系統奠定了材料基礎。

“這項基于水凝膠和電阻抗斷層掃描的多模態傳感技術，不僅是機器人感知與材料科學領域的新突破，還體現了計算智能與生物仿生融合的新趨勢。”北京大學先進制造與機器人學院教授喻俊志對本報記者表示，該研究以一層水凝膠、一圈電極和一套識別系統突破了人工皮膚傳統設計瓶頸，用數據驅動的方式讓柔性材料“學會”辨識復雜信息。當人工皮膚能像人類皮膚一樣精細感知環境，人機交互的邊界正被重新定義。

盡管成果顯著，但是該技術仍面臨挑戰。例如，水凝膠在空氣中易失水干裂，且在高溫環境下性能不穩定。另外，當前系統完成一次全區域掃描耗時較長，尚難滿足高速交互需求。研究團隊表示，下一步將聚焦于開發更穩定的新型水凝膠或替代材料，并優化算法以提升響應速度。

“無論如何，給機器人制造‘皮膚’意義重大。”喻俊志表示，“觸覺”對機器人的改變不只是多了一種感官，而是能夠提升機器人與外在環境的交互能力，幫助其適應更加復雜的環境。未來，此類人工皮膚有望應用于人形機器人、醫療健康監測、智能穿戴設備、智能假肢、工業制造和災后救援等領域。同時，該技術也將推動柔性電子、智能材料和類腦感知系統等前沿科技進一步發展。