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电子皮肤:离应用更近一步

发布时间:2019-08-13 访问次数:172次 来源:中国科学报 分享:


由郑志强(左一)和他的团队开发的电子皮肤比人类感觉神经系统的反应快1000倍。 图片来源:新加坡国立大学

 

人类的感觉是综合视觉、听觉、触觉等感官得到的通感。未来,触觉传感器不应该是一种单一封闭的器件,应该与多种不同类型的传感器融合,赋予电子皮肤更多的感受能力。未来可期,应用电子皮肤的智能机器人、假肢等应用系统终将逐步走向大众,造福人类。

本报见习记者 卜叶

机器人和假肢很快就会有一种触觉,灵敏度甚至优于人类皮肤。日前,新加坡国立大学工程学院材料科学与工程系助理教授郑志强及其团队开发出一种人工神经系统,即电子皮肤,能够赋予机器人和假肢人类般的触觉。近日,相关研究成果发表于《科学—机器人》。

电子皮肤,是一种可以让机器人产生触觉的系统,像皮肤一样附着在设备表面,让设备感知到物体的硬度、温度、湿度等信息。在此之前,只有真正的皮肤才拥有这样的功能。

在研究团队提供的视频中,这款电子皮肤薄如纸,柔软、可弯曲,可以任意变换大小,具有超高的响应能力,能够即刻显示出接触物体的物理特性,如柔软、坚硬、粗糙……

比人类触觉更灵敏

“人类利用触觉来完成几乎每一项日常任务,例如拿起一杯咖啡或握手。没有触觉,人类走路时甚至无法感知地面情况,而失去平衡。同样,机器人拥有触觉才能更好地与人类互动,但今天的机器人仍然无法很好地感觉到物体。”从事电子皮肤技术工作十多年的郑志强解释说,他希望能给机器人和假肢设备更好的触控感。

清华大学计算机科学与技术系教授孙富春告诉《中国科学报》,触觉是人类最早发育,也是最晚退化的感官系统。当人们触摸物体时,皮肤内部的触觉感受器由于受到空间变化、振动等刺激原因引起触感,经过大脑皮层的感知,判断出物体的形状和纹理。

事实上,触觉感觉机制非常复杂, 其神经生理学和感知理论尚在研究之中。中国科学院神经科学研究所研究员孙衍刚介绍,人类皮肤的外周神经里有很多机械式刺激感受器,人体对外界的触觉感知通过皮肤内的机械式刺激感受器完成。不同的感受器所在皮肤组织的位置和对触觉刺激的响应不同,有的能感知弹性,有的能感知凸起,有的能感受外形、纹理。

“人类的感觉神经系统非常有效,还具有很强的抗破坏能力。例如,伤口处的触觉感受不会受到太大影响。”郑志强说,“机器人领域,是电子皮肤主要的应用领域。如果能够模仿生物系统的工作方式,研发出具有触觉的电子皮肤,人类就可以在机器人领域取得巨大的进步。”

新加坡国立大学的研究人员从人类的感觉神经系统中汲取灵感,计划用一年半时间研发一种性能更好的传感器系统。

不同于人类皮肤的机械式刺激感受器,电子皮肤的传感器系统由一个传感器网络组成,该网络通过一个单一的电导体连接,赋予了电子皮肤更好的保真度和感受速度。

测算发现,该传感器系统能比人类感觉神经系统更快地检测到触摸。例如,它能够在不到60纳秒的时间内区分不同传感器之间的物理接触,这是目前电子皮肤技术所达到的最快速度。启用该电子皮肤还可以在10毫秒内准确识别物体的形状、纹理和硬度,速度比眨眼还快。

比现有电子皮肤更好的恢复力

目前,与机器人传感器有关的大量研究集中在视觉、听觉信息的增强和呈现等方面,而围绕触觉方面展开的研究相对较少,但电子皮肤并不是一项新发明。早在2003年,日本东京大学的研究团队利用低分子有机物——并五苯分子制成薄膜,通过其表面密布的压力传感器,实现了电子皮肤感知压力。此后的十几年间,涌现出许多与电子皮肤相关的研究。

新加坡国立大学的研究人员介绍,现有的电子皮肤具有相互连接的布线系统,使其对损坏敏感,破坏后难以扩展,影响电子皮肤的性能与使用。而新研发的电子皮肤对物理损伤具有很高的鲁棒性,这是电子皮肤的一个重要特性。

鲁棒性,是指控制系统在一定的参数摄动下,维持其它某些性能的特性。比如计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下,能不死机、不崩溃,就是该软件的鲁棒性。鲁棒性越高,稳定性越强。

这款电子皮肤是如何实现更高的鲁棒性的呢?郑志强介绍说,与当前电子皮肤中传感器的系统不同,该电子皮肤中的所有传感器都可以连接到一个公共电导体,每个传感器都独立工作。这使得未被破坏的电子皮肤可以继续工作,赋予电子皮肤更强的稳定性。

此外,该电子皮肤的简单布线系统和显著的响应能力,能够承受传感器大量增加,从而扩大电子皮肤的面积,有助于拓展电子皮肤在机器人、假肢设备及其他人工智能领域的应用。

“可扩展性是电子皮肤走向应用必须要考虑的重要因素,因为显示应用中需要大量高性能的电子皮肤来覆盖机器人和假肢设备相对较大的表面区域。”郑志强解释说。

他补充道,该电子皮肤可以与任何类型的传感器皮肤层配对,例如,那些设计用于感应温度和湿度的电子皮肤间可以融合交互,以创建出高性能的、具有特殊触摸感的电子皮肤。

目前,郑志强研究团队已将该电子皮肤与最近开发的一款透明、自我修复和防水传感器皮肤层配对,创建出一种可以自我修复的电子皮肤,就像人类皮肤一样。这种类型的电子皮肤可以用来开发更逼真的假肢,帮助残疾人恢复他们的触觉。

其他潜在的应用包括开发更智能的机器人,比如可以执行灾难恢复任务或接管日常操作的机器人。据了解,郑志强研究团队下一阶段的研究致力于将该电子皮肤应用于先进的机器人和假肢装置。

大面积使用尚需时间

孙富春表示,电子皮肤是可延展的触觉传感器。诸多研究团队注意到电子皮肤的广阔应用场景,如健康检测、仿真皮肤、仿生医药、可穿戴智能电子产品等。

然而,由于触觉传感器面临触觉机理复杂、触觉数据难获取、触觉再现系统真实感低等问题,这项技术一直无法被真正运用到实际中,能够走到现实应用的电子皮肤少之又少。

他介绍,电子皮肤若要被广泛运用,必须满足以下要求:能在低电压下运行;能够根据应用部位和功能的不同,感受一定范围的压力和响应速度,如指尖传感器就是小感受域快适应类型,能同时测量多个指标,如湿度、温度、滑向力、压力和化学物质的存在。除此之外,这些传感器还必须具有快速、简单的生产流程和较为低廉的生产成本。

“人类的感觉是综合视觉、听觉、触觉等感官得到的通感。未来,触觉传感器不应该是一种单一封闭的器件,应该与多种不同类型的传感器融合,赋予电子皮肤更多的感受能力”孙富春说,“未来可期,应用电子皮肤的智能机器人、假肢等应用系统终将逐步走向大众,造福人类。”

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