人類皮膚非常復(fù)雜，包含一系列受體，通過觸覺為我們提供有關(guān)環(huán)境的詳細(xì)感官信息。其中一個(gè)獨(dú)特功能是通過將來自皮膚受體的感覺信號(hào)與動(dòng)覺反饋相結(jié)合，以感知物體的順應(yīng)性（即物體在壓力下的變形能力）或柔軟度。這使我們能夠探知物體的特性，并執(zhí)行醫(yī)療觸診等精細(xì)的任務(wù)。

相比之下，由于機(jī)器人的剛性結(jié)構(gòu)，為其配備類似的觸覺感知功能已被證明極具挑戰(zhàn)性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，瑞士洛桑理工學(xué)院（EPFL）的研究人員開發(fā)了一種柔軟的人造感覺皮膚，能夠在大范圍內(nèi)準(zhǔn)確確定物體的順應(yīng)性。該研究成果已經(jīng)以“Liquid Metal-Based Sensor Skin Enabling Haptic Perception of Softness”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊。

該研究所提出的傳感器示意圖

EPFL軟生物電子接口實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、該研究負(fù)責(zé)人Stephanie Lacour解釋道：“我們的目標(biāo)是通過結(jié)合多模態(tài)軟應(yīng)變和壓力傳感器來模擬人類對(duì)柔軟度的感知。其關(guān)鍵創(chuàng)新是解決軟傳感器和觸摸物體之間的相互作用，這會(huì)影響傳感器的響應(yīng)?！?/p>

這種人造感覺皮膚由一層薄彈性體膜組成，其中嵌入了由液態(tài)金屬微支架制成的電阻式壓力和應(yīng)變傳感器。這些微小的液態(tài)金屬“靜脈”保持流動(dòng)性，能夠在不限制傳感器的情況下發(fā)生較大的變形。其設(shè)計(jì)將螺旋圖案的壓力傳感器與沿內(nèi)部曲折路徑的應(yīng)變傳感器相結(jié)合。這種緊湊的設(shè)計(jì)，是通過將液態(tài)金屬噴涂到膜的兩側(cè)并利用它在層之間形成垂直通孔來實(shí)現(xiàn)的。

傳感器單元的表征

通過有限元建模，研究人員確定了物體相對(duì)于傳感器的柔軟度會(huì)影響其變形并改變傳感器的輸出。他們導(dǎo)出了一個(gè)分析模型，根據(jù)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)壓力傳感器，無論目標(biāo)物體的性質(zhì)如何，都可以準(zhǔn)確計(jì)算順應(yīng)性。

這種人造感覺皮膚成功區(qū)分了橡膠、硅膠、水凝膠等材料以及雞心和胸脯組織的順應(yīng)性。研究團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)4 x 4傳感器陣列來測(cè)繪表面的一致性。這記錄了物體的位置、接觸面積和局部軟/硬區(qū)域。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助醫(yī)療機(jī)器人和先進(jìn)假肢實(shí)現(xiàn)精密的傳感任務(wù)。

Lacour解釋稱：“傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人變形非常小，因此檢測(cè)表面變化受限。我們開發(fā)的這種人造皮膚可以像人類皮膚一樣明顯變形，通過協(xié)同多模態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)高分辨率觸覺感知?！?/p>

這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了傳感器與物體的相互作用在軟機(jī)器人和電子器件中的重要性，其中，觸摸的材料會(huì)極大地影響響應(yīng)。雖然目前的實(shí)驗(yàn)僅應(yīng)用在相對(duì)簡單的形狀，但其基本方法可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的表面。

為機(jī)器人和假肢配備類似人類的觸覺感知可以實(shí)現(xiàn)更智能、更靈巧的操作和交互。這種人造皮膚模仿了人類的柔軟度感知，有望幫助實(shí)現(xiàn)觸診等精細(xì)的醫(yī)療操作，提高假肢裝置的精度，并增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作。

審核編輯：彭菁