机器人有了“皮肤”触觉

来源：人民号

记者：褚 君

机器人能否像人类一样，拥有一层柔软、灵敏、能知冷知热的“皮肤”？近期，英国剑桥大学和伦敦大学学院的研究团队在《科学·机器人学》杂志上发表一项成果：他们研发出一种新型柔性导电机器人“皮肤”，可同时感知压力、温度等，甚至可以区分多个接触点，以类似人类的方式获取周围环境信息。论文第一作者、剑桥大学工程系博士大卫—哈德曼在接受本报记者采访时表示：“这款‘皮肤’由单一材料制成，仅需一种传感器，就能够同时识别多种刺激，并且可塑造成各种复杂形状，这在以前是难以实现的。”

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人体皮肤内分布有感觉神经及运动神经，其神经末梢和特殊感受器广泛分布在表皮、真皮及皮下组织内，以感知体内外的各种刺激，产生各种感觉，引起相应的神经反射。传统机器人“皮肤”多依赖微机电系统，在表面铺设大量微型传感器以模拟人类神经系统。然而这类方案制造工艺复杂、软硬材料易分层、结构脆弱，且传感器之间常存在信号干扰，难以实现大面积部署，功能也远未达到人类皮肤的综合感知水平。

此次英国研究团队的重要突破，是让机器人用一种传感器就识别出多种不同的刺激。这种名为“电阻抗断层扫描”的检测方法，通过在单层水凝胶膜周围设置32个电极，每4个电极组合成1个测量单元，可生成超过86万种不同的电流路径组合，形成高密度、全覆盖的传感网络。比如，研究人员先通过一对电极在水凝胶“皮肤”上施加微弱电流，当外在条件变化时，如温度升高、湿度改变、接触物体等，水凝胶的电学特性随之改变，进而使此前施加的电流发生变化。另一对电极则实时监测这一变化。通过分析电流模式的差异，系统即可判断出这块“皮肤”受到了什么刺激。

由于“皮肤”每时每刻都在接受外界传来的多种刺激，其产生的“电信号”复杂多元。为有效处理这些信息反馈，研究团队引入人工智能算法训练，使系统能够自主学习并识别哪些电极组合可以最有效地区分特定刺激。简而言之，这些电极作为“神经”，人工智能作为“大脑”，特定的电信号被“大脑”识别后解读为对应的“感觉”，由此机器人也有了“触觉系统”。

此次研究的另一重要创新体现在其选用的柔性材料上。该材料为水凝胶，是一种极为亲水的三维网络结构凝胶，导电性能好、柔软可塑，对机械力、温度和湿度均敏感。它可以直接塑造出复杂的形态，例如等比例的成人手掌模型等。用水凝胶制成的仿真“皮肤”，更加柔软且有触觉，为构建高度仿生、性能稳定的下一代人工皮肤系统奠定了材料基础。

“这项基于水凝胶和电阻抗断层扫描的多模态传感技术，不仅是机器人感知与材料科学领域的新突破，还体现了计算智能与生物仿生融合的新趋势。”北京大学先进制造与机器人学院教授喻俊志对本报记者表示，该研究以一层水凝胶、一圈电极和一套识别系统突破了人工皮肤传统设计瓶颈，用数据驱动的方式让柔性材料“学会”辨识复杂信息。当人工皮肤能像人类皮肤一样精细感知环境，人机交互的边界正被重新定义。

尽管成果显著，但是该技术仍面临挑战。例如，水凝胶在空气中易失水干裂，且在高温环境下性能不稳定。另外，当前系统完成一次全区域扫描耗时较长，尚难满足高速交互需求。研究团队表示，下一步将聚焦于开发更稳定的新型水凝胶或替代材料，并优化算法以提升响应速度。

“无论如何，给机器人制造‘皮肤’意义重大。”喻俊志表示，“触觉”对机器人的改变不只是多了一种感官，而是能够提升机器人与外在环境的交互能力，帮助其适应更加复杂的环境。未来，此类人工皮肤有望应用于人形机器人、医疗健康监测、智能穿戴设备、智能假肢、工业制造和灾后救援等领域。同时，该技术也将推动柔性电子、智能材料和类脑感知系统等前沿科技进一步发展。