張金惠進(jìn)行剛?cè)岵?jì)柔性觸覺傳感器制備實(shí)驗(yàn)。廈門大學(xué)供圖

智能機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)類人的高靈巧操作？觸覺傳感器在當(dāng)中起到至關(guān)重要的作用。這就好比皮膚之于人，智能機(jī)器人的“皮膚”——觸覺傳感器越靈敏，類人操作也就越靈巧。

近日，廈門大學(xué)周偉教授團(tuán)隊(duì)在柔性觸覺傳感器研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了可以實(shí)現(xiàn)超靈敏高頻動(dòng)態(tài)力檢測的柔性觸覺傳感器新工作模式，突破了傳統(tǒng)傳感器靈敏度的理論極限值并得到顯著提升。這意味著，有了該傳感器，機(jī)器人操作靈巧度將有望得到大大提升。

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這一研究成果發(fā)表在《Nature Communications》期刊，廈大航空航天學(xué)院機(jī)電工程系張金惠博士后為論文第一作者。

突破：超靈敏高頻動(dòng)態(tài)力檢測

讓機(jī)器人來幫我們倒水，實(shí)現(xiàn)的可能性大嗎？

接觸杯子、開始倒水、判斷接水量、接幾分滿、送到指定位置、放下杯子。這些我們再平常不過的操作，對智能機(jī)器人而言，能否精準(zhǔn)操作絕對是個(gè)考驗(yàn)。

成功與否，智能機(jī)器人的“皮膚”，也就是觸覺傳感器在當(dāng)中起了至關(guān)重要的作用。當(dāng)一款適合的柔性傳感器貼附于機(jī)器人的手時(shí)，整個(gè)倒水過程就可以精確地被檢測到，以此輔助其進(jìn)行類人的高靈巧操作。

這樣的場景，在周偉教授團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室上演了很多次。

當(dāng)前，在智能機(jī)器人動(dòng)態(tài)力檢測應(yīng)用中，常常使用壓電式柔性觸覺傳感器，但傳統(tǒng)的壓電式柔性觸覺傳感器靈敏度受限于自身靈敏度理論極限值。也就是說，智能機(jī)器人的“皮膚”從接收到指令到執(zhí)行操作的靈巧度并不如人意。

周偉教授團(tuán)隊(duì)的突破在于為智能機(jī)器人“皮膚”提出了全新的工作模式，大大提升了“皮膚”的靈敏度。

周偉說，研究工作受節(jié)肢動(dòng)物結(jié)構(gòu)組成的啟發(fā)，提出的這種仿生型“剛?cè)岵?jì)”柔性觸覺傳感器，不僅可提升柔性材料的力傳遞效率，而且顛覆了傳統(tǒng)壓電式柔性觸覺傳感器的工作模式，使傳感器靈敏度得到顯著提升且可達(dá)到理論極限值的17倍，并具有實(shí)時(shí)力方向識(shí)別的優(yōu)異性能。

也就是說，有了該傳感器，智能機(jī)器人的操作會(huì)更靈巧，也會(huì)更靈敏地感知三維力。

據(jù)介紹，該研究成果不僅為壓電式觸覺傳感器進(jìn)一步深入研究提供了新方法和新思路，尤其是對智能機(jī)器人建立類人的觸覺感知系統(tǒng)具有重要的理論研究價(jià)值和意義。

過程：完美融合的“剛?cè)岵?jì)”

這款完美融合“剛?cè)岵?jì)”的類人感知“皮膚”是怎么來的呢？研究之初，周偉教授團(tuán)隊(duì)就一直在思考這個(gè)課題并付諸實(shí)踐。

柔性的基體加上剛性的微結(jié)構(gòu)——這種類節(jié)肢動(dòng)物的剛?cè)岵?jì)結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)？兩年時(shí)間里，一次又一次疊加的失敗經(jīng)歷，該團(tuán)隊(duì)一直在努力嘗試。

環(huán)氧樹脂、石蠟、聚二甲基硅氧烷、硅膠……這兩年，張金惠化身為“材料專家”，以及“排列組合專家”。“我們的方向和目標(biāo)是明確且正確的，只是沒有找到最佳的方案。”張金惠說，“當(dāng)然，科研就是一個(gè)不停試錯(cuò)的過程，持之以恒、堅(jiān)持不懈是最有效的，也是最有用的解決問題的辦法。”

成百上千次的實(shí)驗(yàn)，最終摸索出完美融合的“剛?cè)岵?jì)”結(jié)構(gòu)。廈大航院實(shí)驗(yàn)室里的“機(jī)械臂”就是在這樣的探索下成功實(shí)現(xiàn)了對動(dòng)態(tài)力的超靈敏感知及靈巧操作。

“未來，該觸覺傳感器不僅適用于智能機(jī)器人，也有望在醫(yī)療、汽車、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)用。”周偉說。（歐陽桂蓮）