讓機器人“擁有”人一樣的敏感觸覺_風聞

皮膚是人體最大的感覺器官，是人與外界環境接觸交流的重要部分。它賦予人類感知不同形狀紋理、温度變化和接觸壓力的能力。在生物學上，皮膚感知外界的重要媒介是嵌於皮膚下的各種感知受體，這些感知受體能將外界與皮膚接觸產生的信息轉換成電信號。

對於人類來説，觸覺在我們日常生活工作中起着至關重要的作用。觸摸與視覺相結合對於拾取物體等任務至關重要。而在機器人操縱領域，對於拿起不同的粗糙度表面的東西需要用多大的力，以怎樣的姿勢拿比較合適，這些對於人類來説再簡單不過的問題，對機器人來説顯然並不那麼輕鬆。其中機器人手或抓手在拾取物體的同時需要增加觸覺才可以消除在抓取柔軟，易碎和可變形物體時所選擇的力的不確定性。因此，電子皮膚是從根源上解決該問題的關鍵。

（圖片來自網絡）

何為電子皮膚？

顧名思義，它是一種人造的類皮膚的電學器件，其基本作用是模擬人類皮膚的功能。電子皮膚是通過電學信號的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激（壓力、温度、濕度）的新型電子器件。在電子皮膚的各種感知能力中，觸覺感知尤為重要。在過去幾十年中，電子皮膚因在智能機器人、健康監測、可穿戴設備和人機交互方面具有廣闊的應用前景而備受全球矚目。

在此背景下，中國科學院上海高等研究院曾祥瓊研究員的研究團隊從模擬人體皮膚傳感機制和結構出發，創造性地將聚二甲基硅氧烷微球（PDMS微球）與石墨烯相結合，設計了一種基於指紋結構的新型多功能電子皮膚；利用石墨烯-PDMS微球油墨進行3D打印，構建了具有指紋微結構的石墨烯基多功能觸覺感知電子皮膚器件，在此基礎上提出了對於不同粗糙度表面的摩擦力檢測方案。

圖1 觸覺傳感器設計原理及3D打印流程 a)製備PDMS-石墨烯複合油墨的流程示意圖；b)傳感器靈敏層3D打印示意圖；c)通過處理觸覺信號區分不同粗糙度表面示意圖

那麼，電子皮膚究竟是如何區分不同粗糙度表面的呢？

通過對電子皮膚傳感性能的研究發現，所構建的傳感器不僅對壓力具有靈敏響應，而且能有效反饋摩擦力的大小，因此利用傳感器這一特性可以區分出具有不同粗糙度的表面，從而實現對物體表面的粗糙度、硬度等信息的有效區分和識別。

圖2 a) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌；b) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度(Sa) ；c) 人體手指對不同粗糙度表面的觸覺反應實驗示意圖；d)手指與不同表面作用下的平均摩擦係數；e) 實驗裝置示意圖；f) 壓力載荷(1N)作用於不同表面粗糙度的激光加工表面滑動時的摩擦力曲線；g) 摩擦力作用下傳感器的電阻變化。

通過風載實驗，驗證了石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器還能夠對氣體等流體進行有效的響應。這表明石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器不僅可以運用到電子皮膚，用於對不同粗糙度表面的檢測，而且還能擴展到其他應用，如氣流監測、聲音檢測等。這項工作為可穿戴式傳感提供了新途徑，為電子皮膚的發展提供了新的思路。

參考文獻：H. H. Wang, Y.M. Cen, X.Q. Zeng, Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking the Microstructure Perception Behavior of Human Skin, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 24, 28538–28545

來源：中國科學院上海高等研究院