德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種電子皮膚，可以幫助機(jī)器人感受人類的觸覺(jué)。在MDIT的《傳感器》雜志論文中描述的這款電子皮膚，與其他現(xiàn)有電子皮膚相比，所需的算力要低得多，因此可以以更大面積應(yīng)用于機(jī)器人的身體。

觸摸感使我們能夠感到更安全，交互和控制與周圍環(huán)境的聯(lián)系時(shí)更便捷。許多技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以從類似的技術(shù)中受益。然而，盡管目前電子皮膚系統(tǒng)的覆蓋范圍已比以往更廣，但大面積實(shí)現(xiàn)電子皮膚的案例仍然很少。

論文中表示，電子皮膚的升級(jí)面臨新的難題：感測(cè)點(diǎn)之間的空間關(guān)系非常復(fù)雜，而在其中處理大量的異構(gòu)觸覺(jué)信息則成為了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。研究人員針對(duì)這一挑戰(zhàn)提出了一種新方法，以在用于大型電子皮膚的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)靈活的事件驅(qū)動(dòng)信息處理系統(tǒng)，并詳細(xì)描述了事件生成器和解碼器的有效設(shè)計(jì)。

用于電子皮膚系統(tǒng)的最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可伸縮性、高效性、靈活性，并且能夠在無(wú)需定制硬件的情況下處理大量信息。該系統(tǒng)提供了例如在機(jī)器人技術(shù)中應(yīng)用復(fù)雜的大面積觸覺(jué)系統(tǒng)的可行性。

2歐元硬幣大小的六邊形傳感器構(gòu)成電子皮膚

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一Florian Bergne表示：“開(kāi)發(fā)電子皮膚的主要?jiǎng)訖C(jī)源于自然，并且集中在我們?nèi)祟惾绾闻c周圍環(huán)境互動(dòng)的問(wèn)題上。雖然人類主要依賴視覺(jué)，但一旦涉及互動(dòng)，我們的觸覺(jué)就顯得尤為重要。我們相信，賦予機(jī)器人觸覺(jué)可以擴(kuò)大機(jī)器人與人之間互動(dòng)的范圍，從而使機(jī)器人更具協(xié)作性、安全性和有效性。”

Bergner和以Gordon Cheng教授為首的其他研究人員開(kāi)發(fā)電子皮膚已有大約10年的時(shí)間。最初，他們?cè)噲D實(shí)現(xiàn)具有類似于人類皮膚的多模態(tài)感知功能的電子皮膚系統(tǒng)。換句話說(shuō)，他們?cè)噲D創(chuàng)造一種能夠感知輕觸、壓力、溫度和振動(dòng)的人造皮膚，同時(shí)有效地將其感知分布在觸覺(jué)交互發(fā)生的不同位置。

Bergner說(shuō)：“人類不僅可以分辨不同種類物品的觸感，而且可以分辨它們的位置。除了復(fù)制此功能外，電子皮膚系統(tǒng)還應(yīng)承受物理接觸的壓力，具有可伸縮性，并以最小的動(dòng)力將各種功能綜合在一起?！?/p>

Bergner及其同事開(kāi)發(fā)的新型電子皮膚系統(tǒng)由六邊形的傳感模塊組成。每個(gè)模塊大約是2歐元硬幣大小。當(dāng)它們連接在一起時(shí)，就形成了柔軟的人造皮膚或皮膚補(bǔ)丁，可以附著在各種各樣的平面或曲面上。

大約2歐元硬幣大小的六邊形傳感模塊

睡眠模式降低系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)算力的需求

到目前為止，可以應(yīng)用于大面積表面的電子皮膚，在它們一次可以檢測(cè)到的觸摸信息量方面仍存在明顯局限性。另一方面，Bergner和他的同事開(kāi)發(fā)的電子皮膚系統(tǒng)在保留了其先進(jìn)的感應(yīng)功能的前提下，而無(wú)需耗費(fèi)大量的算力來(lái)進(jìn)行。

Bergner說(shuō)：“傳統(tǒng)的信息處理對(duì)計(jì)算能力，高功耗，高信息傳輸速率，信息丟失和延遲的要求高得令人無(wú)法接受。另一方面，人類則可以毫不費(fèi)力地處理大約500萬(wàn)個(gè)皮膚感受器收集到的觸覺(jué)信息。在最近的研究中，我們問(wèn)自己，人類的觸覺(jué)是如何做到這一點(diǎn)的？我們?nèi)绾卫醚芯堪l(fā)現(xiàn)神經(jīng)科學(xué)來(lái)減輕我們開(kāi)發(fā)的電子皮膚的局限性？”

人類皮膚上的接受器在檢測(cè)到觸摸壓力、溫度或振動(dòng)的變化之前，往往會(huì)保持不活動(dòng)的狀態(tài)，而不是不斷向大腦發(fā)送信息。當(dāng)它們檢測(cè)到變化時(shí)，這些接受器就會(huì)觸發(fā)刺突，將該變化通過(guò)神經(jīng)纖維傳遞給大腦。

這一過(guò)程的結(jié)果是，人類通過(guò)皮膚向大腦提供了與觸摸有關(guān)的新信息。Bergner和他的同事對(duì)該生物過(guò)程進(jìn)行了深入研究，并試圖將其過(guò)程復(fù)制到他們的電子皮膚中。

Bergner解釋說(shuō)：“在我們的系統(tǒng)中，每個(gè)人造皮膚細(xì)胞都在監(jiān)視其傳感器，以檢測(cè)變化。當(dāng)他們檢測(cè)到足夠大的變化時(shí)，皮膚細(xì)胞就會(huì)向計(jì)算機(jī)報(bào)告新信息，否則它們就會(huì)進(jìn)入睡眠模式。該操作大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)算力的需求?！?/p>

電子皮膚系統(tǒng)的皮膚細(xì)胞形成圖示

每個(gè)傳感器模塊或皮膚單元都使用不同的傳感器（例如S1，……，S4）和一個(gè)微控制器（μC）的處理能力；這些模塊相互連接，形成模塊網(wǎng)絡(luò)，并在每個(gè)模塊與信息處理系統(tǒng)（例如計(jì)算機(jī)）之間提供雙向通信路徑，以構(gòu)成該電子皮膚系統(tǒng)的一個(gè)皮膚細(xì)胞。

用超1萬(wàn)塊傳感器覆蓋機(jī)器人，減少80%計(jì)算量

Bergner和同事們成功將他們電子皮膚應(yīng)用于一個(gè)人類大小的機(jī)器人——H1身上。該系統(tǒng)能夠使用1260個(gè)皮膚細(xì)胞覆蓋整個(gè)身體，其中包括超10000個(gè)傳感器，這是以前從未做過(guò)的。

研究人員開(kāi)發(fā)的H1機(jī)器人身著電子皮膚

Bergner說(shuō)：“H1機(jī)器人只能通過(guò)機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)操作。只有借助我們以新形式驅(qū)動(dòng)的電子皮膚的優(yōu)勢(shì)，用皮膚細(xì)胞覆蓋H1才成為可能。該電子皮膚減少了大約80%的計(jì)算量。更傳統(tǒng)的電子皮膚會(huì)使H1系統(tǒng)完全飽和，從而導(dǎo)致延遲，以及大約25％的連續(xù)信息丟失的狀況發(fā)生?！?/p>

在未來(lái)，高效的電子皮膚可以為各種機(jī)器人提供更強(qiáng)大的觸摸功能。此類電子皮膚可以增加人機(jī)交互的安全性，這在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的價(jià)值尤為突出。除此之外，電子皮膚細(xì)胞還可以用于開(kāi)發(fā)新的技術(shù)工具，例如觸敏式義肢、智能物體或傳感衣。

Bergner說(shuō)：“在解決了處理大面積電子皮膚的觸覺(jué)信息的難題之后，我們現(xiàn)在可以考慮縮小皮膚細(xì)胞的尺寸，從而達(dá)到更高的感應(yīng)密度。H1披上了大面積的電子皮膚，我們可以用它來(lái)研究人機(jī)交互和全身控制。另一個(gè)有趣的研究方向可能是研究以新形式驅(qū)動(dòng)的觸覺(jué)信息，用來(lái)增強(qiáng)感知和控制算法?！?/p>