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。其中一個獨(dú)特功能是通過將來自皮膚受體的感覺信號與動覺反饋相結(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，這會影響傳感器的響應(yīng)。”

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于傳感器的柔軟度會影響其變形并改變傳感器的輸出。他們導(dǎo)出了一個分析模型，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4 x 4傳感器陣列來測繪表面的一致性。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，觸摸的材料會極大地影響響應(yīng)。雖然目前的實(shí)驗(yàn)僅應(yīng)用在相對簡單的形狀，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