能感知热量、疼痛与压力的机器人？新型"表皮"技术使其成为现实

来自剑桥大学和伦敦大学学院（UCL）的研究人员开发出这种柔性导电皮肤，它易于制造，可熔化并塑造成各种复杂形状。该技术能感知和处理多种物理输入，使机器人能以更具意义的方式与物理世界交互。

其他机器人触觉解决方案通常通过嵌入小区域的传感器工作，且需不同传感器检测不同类型的触摸。而剑桥大学与UCL团队开发的电子皮肤整体即为传感器，使其更接近人类自身的传感系统——我们的皮肤。

虽然这种机器人皮肤灵敏度不及人类皮肤，但它能检测材料中超过860,000条微小通路的信号，使单一材料即可识别不同类型的触摸和压力——如手指轻触、冷热表面、切割或刺穿造成的损伤，甚至是多点同时触碰。

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

除未来可能应用于需要触觉的人形机器人或人类假肢外，研究人员表示该机器人皮肤在汽车行业、救灾等多元领域均具应用潜力。研究成果发表于《科学机器人学》期刊。

电子皮肤通过将压力或温度等物理信息转化为电信号运作。多数情况下需不同类型传感器对应不同触摸方式——压力传感器与温度传感器等——再嵌入柔性材料中。然而这些传感器信号会相互干扰，且材料易受损。

"为不同触感配备不同传感器导致材料制造复杂化，"论文第一作者、剑桥大学工程系David Hardman博士表示，"我们想开发能同时检测多种触感但仅用单一材料的解决方案。"

"同时需要低成本且耐用的材料，才能适用于广泛场景，"合著者、伦敦大学学院Thomas George Thuruthel博士补充道。

他们的方案采用能对不同触摸产生差异化反应的单一传感器，即多模态感应。虽然分离各信号成因具有挑战性，但多模态感应材料更易制造且更坚固。

研究人员熔化具有导电性的柔性明胶基水凝胶，浇铸成手掌形状。通过测试多种电极配置方案，确定哪种能获取最具价值的触感信息。得益于导电材料中的微小通路，仅靠手腕处32个电极即可在整个手掌收集超170万条数据。

随后对皮肤进行多种触感测试：热风枪加热、手指与机械臂按压、轻柔触摸，甚至用手术刀切割。团队利用测试数据训练机器学习模型，使机械手能识别不同触摸的含义。

"我们能从这些材料中榨取大量信息——它们可快速完成数千次测量，"在合著者Fumiya Iida教授实验室从事博士后研究的Hardman解释道，"它们同时在大面积区域测量多种不同指标。"

"虽然机器人皮肤尚未达到人类皮肤水平，但我们认为其性能已超越现有技术，"Thuruthel表示，"与传统传感器相比，我们的方法更灵活易造，并能通过人类触摸校准以适应多种任务。"

未来研究人员计划提升电子皮肤的耐用性，并在实际机器人任务中开展进一步测试。

本研究由三星全球研究拓展计划、英国皇家学会及英国研究与创新署（UKRI）下属工程与物理科学研究理事会（EPSRC）资助。Fumiya Iida为剑桥大学基督圣体学院院士。