机器人能感知热量、疼痛和压力？这种新型"皮肤"使之成为可能

来自剑桥大学和伦敦大学学院（UCL）的研究人员开发了这种柔性导电皮肤，它易于制造，可熔化重塑成各种复杂形状。该技术能感知和处理一系列物理输入，使机器人能够以更有意义的方式与现实世界互动。

典型的机器人触觉方案通常通过嵌入小区域的传感器工作，且需要不同传感器检测不同类型的触摸。与之不同，剑桥大学和UCL研究人员开发的电子皮肤整体就是一个传感器，使其更接近我们自身的传感系统：皮肤。

虽然该机器人皮肤不如人类皮肤敏感，但它能检测材料中超过86万条微小通路的信号，使其能够在单一材料中识别不同类型的触摸和压力——例如手指轻敲、冷热表面、切割或刺穿造成的损伤，或同时触碰多点。

研究人员结合物理测试和机器学习技术，帮助机器人皮肤"学习"哪些通路最关键，从而能更高效地感知不同类型的接触。

除了未来在需要触觉的人形机器人或人体假肢上的潜在应用外，研究人员表示该机器人皮肤在诸如汽车行业或灾难救援等多样化领域都可能有价值。研究结果发表在期刊《科学机器人学》（Science Robotics）上。

电子皮肤通过将物理信息（如压力或温度）转换为电信号工作。大多数情况下，不同类型的触摸需要不同的传感器——一类检测压力，另一类检测温度等——这些传感器随后被嵌入柔软、有弹性的材料中。然而，来自不同传感器的信号可能相互干扰，且材料易受损。

"为不同类型触摸配备不同传感器会导致材料制造工艺复杂，"剑桥大学工程系的通讯作者大卫·哈德曼博士表示，"我们希望开发一种能在单一材料中同时检测多种触摸的解决方案。"

"同时，我们需要廉价且耐用的东西，以便适合广泛应用，"来自UCL的合著者托马斯·乔治·图鲁特尔博士补充道。

他们的方案使用一种能对不同类型触摸作出不同反应的传感器，称为多模态传感。虽然区分每种信号的具体原因具有挑战性，但多模态传感材料更易制造且更坚固耐用。

研究人员熔化了一种柔软、可拉伸且导电的明胶基水凝胶，并将其浇铸成人类手掌的形状。他们测试了多种电极配置，以确定哪种配置能为不同类型的触摸提供最有价值的信息。得益于导电材料中的微小通路，仅通过在手腕处放置的32个电极，他们就能在整个手掌收集超过170万条信息。

随后研究人员对该皮肤进行了多种触摸测试：用热风枪加热、用手指和机械臂按压、用手指轻触，甚至用手术刀切割。团队利用这些测试中收集的数据训练机器学习模型，使机械手能识别不同类型触摸的含义。

"我们能从这些材料中提取大量信息——它们可以快速进行数千次测量，"由合著者饭田史也教授指导的博士后研究员哈德曼表示，"它们能在大面积表面上同时测量多种不同参数。"

"虽然机器人皮肤尚未达到人类皮肤的水平，但我们认为它优于目前现存的其他方案，"图鲁特尔表示，"我们的方法灵活且比传统传感器更易构建，并能通过人类触摸进行任务范围校准。"

未来，研究人员希望提升电子皮肤的耐用性，并在实际机器人任务中进行更多测试。

本研究获得了三星全球研究拓展计划、英国皇家学会、工程与物理科学研究委员会（EPSRC，隶属于英国研究与创新署UKRI）的资助。饭田史也是剑桥大学基督圣体学院的院士。