讓機器人擁有人類的精細觸覺！廣州科研團隊攻克難關

觸覺是人類感受世界的重要方式，但機器人的觸覺一直不太“敏感”。機械手握瓶子，用力輕了握不住，用力重了很可能一下子捏爆，這成為機器人在實際應用中面臨的痛點。

不久前，港科大（廣州）訾云龍教授團隊在國際頂尖期刊《先進材料》（《AdvancedMaterials》）上發表了最新研究成果，團隊成功研制出全球首個亞毫米級分辨率的雙模態觸覺傳感器陣列。該技術首次實現了對物體表面軟硬度分布的精細觸覺感知，使機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：

將傳感器直徑降至亞毫米級

2024年，訾云龍團隊研制出了第一代雙模態觸覺傳感器陣列，并在期刊《科學進展》（《Science Advances》）上發表相關成果。當時，該傳感器陣列的材料種類識別率達99.4%、材料軟硬度識別準確率達100%。美中不足的是，陣列中單個觸感器的直徑達5毫米級，無法在機器人手指的狹小面積上進行高密度陣列排布。

“我們的指紋間距大約在1毫米以內。傳感器要做到這個尺度以內，才能感知如指紋般精細的紋理。要想讓機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，經過一年多的努力，團隊終于將傳感器直徑從5毫米降低至0.35毫米。

據介紹，傳感器尺寸每縮小一步，工藝難度便呈指數級增長。傳感器陣列要做到平面與曲面的精密結合，團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，總計兩百余根導線，絕不能互相干擾。

工藝調試煞費苦心。來源：廣州日報

為了找到適合制造微柱陣列基底的材料，團隊迭代了十幾種配方，從熱固化到光固化，經歷了上百次失敗。“在港科大（廣州），我們不僅要以科學家思維發現問題，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用場景。”訾云龍說。

最終，團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進行創新融合，攻克了相應的工藝集成難題，成功實現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智能觸覺傳感器的關鍵跨越。

科研應用：

讓機器人不再“毛手毛腳”

實現這一突破后，團隊積極推動成果落地轉化。目前，觸感器陣列已有眾多應用方向。

據介紹，將來，人形機器人走入家庭，特別是實現照護老人小孩、做家務等功能，擁有觸感器陣列的機器人不再“毛手毛腳”，而是“抓穩扶好”臥床老人。如果想讓人形機器人拿香蕉或水杯，也不用擔心它會捏爛或捏碎；讓機器人做家務，也不用擔心它握不住拖把。

觸感器陣列還能用于產品的溯源與防偽。在產品設計時，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設備或機器人一摸，便能讀取信息，真假立判。

在產品分揀上，觸感器設備也可以發揮作用。例如，水果的軟硬度往往代表它的成熟度，裝有觸感器的機器人可以從一堆水果中精準挑出成熟度最佳的一顆。

在工業領域，相關設備或機器人也可以采用合適的握力，對工具進行操控。

在醫療健康領域，觸感器設備還有望應用于內窺鏡，通過感知身體內部組織硬度的細微差異，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，團隊還將進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，讓機器人產生更像人的觸覺”。訾云龍說。

此外，團隊還在研究觸覺反饋模擬，并有望應用于虛擬現實領域。訾云龍介紹：“人體有視覺、味覺、觸覺、聽覺、嗅覺，但在虛擬現實領域，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，將有望進一步提升虛擬現實的體驗感。如在虛擬現實中呈現的一些精美文物，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，結合對神經方面的研究，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，有望產生和正常人一樣的感受。

機器人的“觸覺”是怎么產生的？

關鍵部件

雙模態觸覺傳感器陣列 來源：廣州日報

實驗室內，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，機器人便可以精細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.讓機器人感知軟硬度

以往機器人觸覺傳感器通常只檢測壓力，但人的觸覺構成遠不僅是壓力，還包括物體的粗糙度、軟硬度、溫度等。團隊的目標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準

物體受壓后，會因表面軟硬程度不同，產生不同的變形。接觸面積的變化會反映出不同大小的摩擦電信號。持續采集該信號，就會形成一條變化曲線，再結合同一時間壓力產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 “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，形成精準的“觸覺畫像”。機器人也可依靠高密度的觸覺傳感器陣列和相關算法來實現這一功能。傳感器做得越小，排布越精細，陣列的“觸覺”就會越靈敏。

參考來源

廣州科技創新《告別 “毛手毛腳”，廣州科研團隊讓機器人更懂輕重 | 科技周刊》

https://mp.weixin.qq.com/s/lGyN7z7IrUvXpIfKGfOk4g

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