人類(lèi)指尖分布著高密度的觸覺(jué)感受器使得人類(lèi)能夠精確感知物體的紋理、大小和形狀等觸覺(jué)信息。近年來(lái)，人工電子皮膚（觸覺(jué)傳感器陣列）在機(jī)器人領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在Optimus-Gen 2等機(jī)器人的靈巧手上集成高密度觸覺(jué)傳感器，可賦予機(jī)器人精細(xì)操作能力。

目前，觸覺(jué)傳感技術(shù)領(lǐng)域存在多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，其中視觸覺(jué)傳感技術(shù)是目前商業(yè)化高密度傳感器的主流技術(shù)路徑之一。然而，現(xiàn)有的視觸覺(jué)傳感器雖然實(shí)現(xiàn)了較高的傳感器密度，但仍存在兩個(gè)主要局限性：一是測(cè)量誤差較大，由于依賴(lài)間接光學(xué)測(cè)量，光學(xué)畸變、光照變化和機(jī)械滯后等因素會(huì)導(dǎo)致壓力測(cè)量不準(zhǔn)確，并且對(duì)微弱壓力響應(yīng)不敏感；二是系統(tǒng)體積龐大，需要光學(xué)組件、照明系統(tǒng)和保護(hù)外殼等部件，使得小型化難以實(shí)現(xiàn)，從而限制了集成密度的進(jìn)一步提升。

針對(duì)上述技術(shù)挑戰(zhàn)，西湖大學(xué)工學(xué)院朱博文團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種創(chuàng)新的直接觸覺(jué)感知方案。與依賴(lài)間接光學(xué)測(cè)量的視觸覺(jué)傳感器不同，該方案通過(guò)CMOS技術(shù)與電阻式壓敏薄膜的集成，實(shí)現(xiàn)了接觸力的直接電學(xué)轉(zhuǎn)換，從而顯著提升了力校準(zhǔn)精度和微弱壓力響應(yīng)靈敏度。

圖1 高密度觸覺(jué)傳感器示意圖

該壓力敏感薄膜由三維共形涂覆的碳納米管（CNT）網(wǎng)絡(luò)、多尺度結(jié)構(gòu)的PDMS基底，以及用于增強(qiáng)局部導(dǎo)電性的金（Au）薄膜三部分構(gòu)成。這種多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅顯著提升了壓力傳感器的靈敏度，還增強(qiáng)了導(dǎo)電層與基底的界面穩(wěn)定性。

圖2 壓力傳感器的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該傳感器陣列在分辨率和靈敏度方面表現(xiàn)卓越，能夠檢測(cè)和區(qū)分29.8 mg和34.5 mg的微小重量，展現(xiàn)出優(yōu)異的弱壓力檢測(cè)能力。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性方面，傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為21 ms和20 ms，能夠滿足實(shí)時(shí)觸覺(jué)感知應(yīng)用的需求。

圖3基于跨尺度結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器性能

研究團(tuán)隊(duì)成功將傳感器陣列集成到機(jī)械靈巧手指尖，實(shí)現(xiàn)了高集成度的觸覺(jué)感知系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)成像應(yīng)用中，成功實(shí)現(xiàn)了字母"W"等復(fù)雜圖案的高保真度觸覺(jué)成像，15微米的像素尺寸能夠清晰呈現(xiàn)觸覺(jué)接觸的細(xì)節(jié)特征，展現(xiàn)了傳感器陣列的精細(xì)成像能力。

圖4具有高集成度的靈巧手指尖觸覺(jué)成像展示

在動(dòng)態(tài)力方向檢測(cè)應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)基于光流算法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)力方向檢測(cè)功能，能夠準(zhǔn)確追蹤手指在傳感器表面的滑動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)分析力的方向分布。該系統(tǒng)通過(guò)HSV（Hue-Saturation-Value）顏色空間編碼可視化力方向，為機(jī)器人動(dòng)態(tài)觸覺(jué)感知提供了重要技術(shù)支撐。

圖5 實(shí)時(shí)壓力方向分析

在物體精細(xì)紋理識(shí)別應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)采用16種不同的"W"字形進(jìn)行訓(xùn)練，從8個(gè)不同角度（45度間隔，0-360度）采集了3706個(gè)觸覺(jué)圖像樣本?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的分類(lèi)系統(tǒng)在僅2個(gè)訓(xùn)練周期內(nèi)即達(dá)到100%的準(zhǔn)確率，實(shí)時(shí)識(shí)別速度達(dá)到13.1 ms，展現(xiàn)了傳感器在機(jī)器人精細(xì)觸覺(jué)分類(lèi)應(yīng)用中的巨大潛力。

圖6觸覺(jué)傳感陣列的物體精細(xì)紋理識(shí)別應(yīng)用

由于該傳感器陣列具有良好的集成特性和優(yōu)異的性能表現(xiàn)，未來(lái)有望在智能假肢、人機(jī)交互、機(jī)器人精細(xì)操作等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

審核編輯 黃宇