新型電子手套：讓機器人擁有觸覺！

導讀

近日，美國斯坦福大學的工程師們開發出一種含有感測器的電子手套。有朝一日，這些感測器將賦予機器人手更大的靈巧性，而這種靈巧性在人類看來是理所當然的。

背景

如今，機器人已成為備受關注的前沿科技領域之一。然而，觸覺感知能力，是機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的相關科研案例：

1）美國康奈爾大學設計的柔性機器人手，採用可伸縮的彈性光波導作為感知彎曲、伸展與力量的感測器，能抓握並感知各種形狀與材質的物體。例如，這種假肢手可觸摸三個西紅柿，感知其柔軟度，從而判斷其成熟程度。

（圖片來源: 康奈爾大學）

2）美國休斯頓大學開發一種人造皮膚，它能讓機器手臂能夠感知不同的冷熱，也可以用於生物醫電方面的一系列應用。

（圖片來源: 休斯頓大學）

3）加拿大英屬哥倫比亞大學發明了一種低成本的柔性感測器，它能在被拉伸、摺疊、彎曲的情況下，檢測手指的靠近以及輕觸。

（圖片來源: 英屬哥倫比亞大學）

4）美國普渡大學開發一種稱為「iSoft」的可拉伸柔性感測器。它能進行實時、「多模式」的感知，例如感知持續的接觸以及不同方向的拉伸。

（圖片來源：普渡大學）

創新

今天，再為大家介紹有關機器人觸覺感知能力的一項新技術。

近日，美國斯坦福大學的工程師們開發出一種含有感測器的電子手套。有朝一日，這些感測器將賦予機器人手更大的靈巧性，而這種靈巧性在人類看來是理所當然的。

在一篇於11月21日發表在《科學機器人學（Science Robotics）》期刊上的論文中，化學工程師 Zhenan Bao 及其團隊演示了這種感測器。它工作得很好，足以使機器人手能夠觸摸嬌嫩的漿果，以及握住一個乒乓球，重點是不會壓扁它們。

技術

Bao 表示，手套指尖中的感測器同步測量壓力的強度與方向，這兩個物理量對於實現靈巧的動手能力來說是不可或缺的。研究人員們必須繼續完善這項技術，從而自動控制這些感測器。當他們使這項技術變得完美時，穿戴這種手套的機器人將能夠在拇指和食指之間靈巧地握住一個雞蛋，而不會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壓力、熱量和其他刺激的感測器。我們手指和手掌含有非常豐富的觸摸感測器。這些感測器與皮膚的一個子層，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。當我們的手指觸摸物體時，外層的皮膚會靠近棘層。較輕的觸摸會被靠近「山頂」的感測器感受到。而更大的壓力會迫使外層皮膚陷入棘層的「山谷」中，觸發更加強烈的觸覺感知。

可是，測量壓力的強度只是棘層功能的一部分。這一崎嶇不平的子層也有助於揭示壓力或剪切力的方向。例如，手指向北壓，會在這些微型「山丘」的南坡上製造出強烈的信號。這種感知剪切力的能力，成為了幫助我們在拇指與食指之間溫柔而又牢固地握住雞蛋的關鍵。

人類皮膚啟發的電子皮膚（圖片來源：參考資料【2】）

仿生電子皮膚的設計理念（圖片來源：參考資料【2】）

博士後訪問學者 Clementine Boutry 和碩士生 Marc Negre 領導了這種電子感測器的開發，它正好模仿了人體的這一機制。機器人手套指尖上的每個感測器，都是由三個在一起協力工作的柔性層組成。頂層與底層都是電活性的。研究人員在兩個表面的每一面上都放置了電線網路，就像田裡的一行一行的莊稼，並且使這些行相互垂直，創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單地分開。然而，這種分隔很關鍵，因為相互靠近而又不相互觸摸的電極能存儲電能。機器人手指壓下時，頂層的電極被壓得靠近地底層，存儲的能量相應增加。底層的「山丘」和「山谷」提供了一種將壓力的強度與方向映射到垂直網格中的特殊點的方法，這種方法很像人類皮膚。

電子皮膚的製造與外觀（圖片來源：參考資料【2】）

通過連續單像素信號響應獲取的仿生電子皮膚的響應特性（圖片來源：參考資料【2】）

仿生電子皮膚的優化（圖片來源：參考資料【2】）

為了測試他們的技術，研究人員們在一個橡膠手套的手指上放置了三層感測器，並將手套戴到機器人手上。最終的目標是將感測器直接嵌入到機器人手上類似皮膚的覆蓋物中。在一個實驗中，他們對戴著手套的機器人手進行編程，使之溫柔地觸摸一個漿果，且不會損壞它。他們也對機器人手進行編程，使之拿起並移動一個乒乓球，而不會壓壞它。他們是通過採用感測器檢測適當的剪切力來抓握住球而不會扔掉它。

安裝在機器人手上的電子皮膚實驗（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Bao 表示：「這項技術使我們踏上一條道路，未來將賦予機器人一種感知功能，而這種感知功能是人類皮膚才有的。」

Bao 表示，通過適當的編程，穿戴現有的觸摸感測手套的機器人手能執行重複的任務，例如從傳送帶上撿起雞蛋並放到紙盒中。這項技術也可以應用於離不開精準觸控的機器人輔助外科手術。但是，Bao 的最終目標是開發手套的高級版本，能自動施加適量的力，安全地握住物體，而無需事先編程。

她說：「我們能編程一個機器手觸摸樹梅而不會擠壞它。但是，要觸摸並檢測出它是樹莓，並使機器人能撿起它，我們還有很長的路要走。」

關鍵字

機器人、觸摸感測、電子皮膚、感測器

參考資料

【1】https://news.stanford.edu/press-releases/2018/11/21/stanford-developbots-sense-touch?preview=true

【2】http://robotics.sciencemag.org/content/3/24/eaau6914

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