如今，機(jī)器人已成為備受關(guān)注的前沿科技領(lǐng)域之一。然而，觸覺感知能力，是機(jī)器人靈巧地操控各種物體所不可缺少的能力之一。溫故而知新，先帶大家回顧一下以往介紹過(guò)的相關(guān)科研案例： 　　
（1）美國(guó)康奈爾大學(xué)設(shè)計(jì)的柔性機(jī)器人手，采用可伸縮的彈性光波導(dǎo)作為感知彎曲、伸展與力量的傳感器，能抓握并感知各種形狀與材質(zhì)的物體。例如，這種假肢手可觸摸三個(gè)西紅柿，感知其柔軟度，從而判斷其成熟程度。

　　
（圖片來(lái)源: 康奈爾大學(xué)） 　　

（2）美國(guó)休斯頓大學(xué)開發(fā)一種人造皮膚，它能讓機(jī)器手臂能夠感知不同的冷熱，也可以用于生物醫(yī)電方面的一系列應(yīng)用。

　　
（圖片來(lái)源: 休斯頓大學(xué)） 　　

（3）加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)發(fā)明了一種低成本的柔性傳感器，它能在被拉伸、折疊、彎曲的情況下，檢測(cè)手指的靠近以及輕觸。

　　
（圖片來(lái)源: 英屬哥倫比亞大學(xué)） 　　

（4）美國(guó)普渡大學(xué)開發(fā)一種稱為“iSoft”的可拉伸柔性傳感器。它能進(jìn)行實(shí)時(shí)、“多模式”的感知，例如感知持續(xù)的接觸以及不同方向的拉伸。 　　

（圖片來(lái)源：普渡大學(xué)） 　　今天，再為大家介紹有關(guān)機(jī)器人觸覺感知能力的一項(xiàng)新技術(shù)。 　　
近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)的工程師們開發(fā)出一種含有傳感器的電子手套。有朝一日，這些傳感器將賦予機(jī)器人手更大的靈巧性，而這種靈巧性在人類看來(lái)是理所當(dāng)然的。 　　在一篇于11月21日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人學(xué)（Science Robotics）》期刊上的論文中，化學(xué)工程師 Zhenan Bao 及其團(tuán)隊(duì)演示了這種傳感器。它工作得很好，足以使機(jī)器人手能夠觸摸嬌嫩的漿果，以及握住一個(gè)乒乓球，重點(diǎn)是不會(huì)壓扁它們。 　　Bao 表示，手套指尖中的傳感器同步測(cè)量壓力的強(qiáng)度與方向，這兩個(gè)物理量對(duì)于實(shí)現(xiàn)靈巧的動(dòng)手能力來(lái)說(shuō)是不可或缺的。研究人員們必須繼續(xù)完善這項(xiàng)技術(shù)，從而自動(dòng)控制這些傳感器。當(dāng)他們使這項(xiàng)技術(shù)變得完美時(shí)，穿戴這種手套的機(jī)器人將能夠在拇指和食指之間靈巧地握住一個(gè)雞蛋，而不會(huì)壓扁它們或者讓它們滑落。 　　這種電子手套模仿了人類皮膚各層一起工作的方式，這種方式賦予我們的雙手非凡的感知能力。 　　我們皮膚的外層充滿可檢測(cè)壓力、熱量和其他刺激的傳感器。我們手指和手掌含有非常豐富的觸摸傳感器。這些傳感器與皮膚的一個(gè)子層，也稱為“棘層”，一起工作。棘層的微觀“地貌”充滿“山丘”和“山谷”，顯得崎嶇不平。 　　這種崎嶇不平非常重要。當(dāng)我們的手指觸摸物體時(shí)，外層的皮膚會(huì)靠近棘層。較輕的觸摸會(huì)被靠近“山頂”的傳感器感受到。而更大的壓力會(huì)迫使外層皮膚陷入棘層的“山谷”中，觸發(fā)更加強(qiáng)烈的觸覺感知。 　　可是，測(cè)量壓力的強(qiáng)度只是棘層功能的一部分。這一崎嶇不平的子層也有助于揭示壓力或剪切力的方向。例如，手指向北壓，會(huì)在這些微型“山丘”的南坡上制造出強(qiáng)烈的信號(hào)。這種感知剪切力的能力，成為了幫助我們?cè)谀粗概c食指之間溫柔而又牢固地握住雞蛋的關(guān)鍵。

　　

人類皮膚啟發(fā)的電子皮膚（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

　　

仿生電子皮膚的設(shè)計(jì)理念（圖片來(lái)源：參考資料【2】） 　　
博士后訪問學(xué)者 Clementine Boutry 和碩士生 Marc Negre 領(lǐng)導(dǎo)了這種電子傳感器的開發(fā)，它正好模仿了人體的這一機(jī)制。機(jī)器人手套指尖上的每個(gè)傳感器，都是由三個(gè)在一起協(xié)力工作的柔性層組成。頂層與底層都是電活性的。研究人員在兩個(gè)表面的每一面上都放置了電線網(wǎng)絡(luò)，就像田里的一行一行的莊稼，并且使這些行相互垂直，創(chuàng)造出密集的小型感知像素陣列。他們也讓底層像棘層一樣崎嶇不平。 　　中間的橡膠絕緣子將頂層與底層的電極簡(jiǎn)單地分開。然而，這種分隔很關(guān)鍵，因?yàn)橄嗷タ拷植幌嗷ビ|摸的電極能存儲(chǔ)電能。機(jī)器人手指壓下時(shí)，頂層的電極被壓得靠近地底層，存儲(chǔ)的能量相應(yīng)增加。底層的“山丘”和“山谷”提供了一種將壓力的強(qiáng)度與方向映射到垂直網(wǎng)格中的特殊點(diǎn)的方法，這種方法很像人類皮膚。

　　

電子皮膚的制造與外觀（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

　　

通過(guò)連續(xù)單像素信號(hào)響應(yīng)獲取的仿生電子皮膚的響應(yīng)特性（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

　　

仿生電子皮膚的優(yōu)化（圖片來(lái)源：參考資料【2】） 　　

為了測(cè)試他們的技術(shù)，研究人員們?cè)谝粋€(gè)橡膠手套的手指上放置了三層傳感器，并將手套戴到機(jī)器人手上。最終的目標(biāo)是將傳感器直接嵌入到機(jī)器人手上類似皮膚的覆蓋物中。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們對(duì)戴著手套的機(jī)器人手進(jìn)行編程，觸摸一個(gè)漿果，且不會(huì)損壞它。他們也對(duì)機(jī)器人手進(jìn)行編程，使之拿起并移動(dòng)一個(gè)乒乓球，而不會(huì)壓壞它。他們是通過(guò)采用傳感器檢測(cè)適當(dāng)?shù)募羟辛?lái)抓握住球而不會(huì)扔掉它。

　　

安裝在機(jī)器人手上的電子皮膚實(shí)驗(yàn)（圖片來(lái)源：參考資料【2】） 　　
Bao 表示：“這項(xiàng)技術(shù)使我們踏上一條道路，未來(lái)將賦予機(jī)器人一種感知功能，而這種感知功能是人類皮膚才有的。” 　　Bao 表示，通過(guò)適當(dāng)?shù)木幊?，穿戴現(xiàn)有的觸摸傳感手套的機(jī)器人手能執(zhí)行重復(fù)的任務(wù)，例如從傳送帶上撿起雞蛋并放到紙盒中。這項(xiàng)技術(shù)也可以應(yīng)用于離不開精準(zhǔn)觸控的機(jī)器人輔助外科手術(shù)。但是，Bao 的最終目標(biāo)是開發(fā)手套的高級(jí)版本，能自動(dòng)施加適量的力，安全地握住物體，而無(wú)需事先編程。 　　她說(shuō)：“我們能編程一個(gè)機(jī)器手觸摸樹梅而不會(huì)擠壞它。但是，要觸摸并檢測(cè)出它是樹莓，并使機(jī)器人能撿起它，我們還有很長(zhǎng)的路要走。”