能感受热度、痛觉和压力的机器人？新型"皮肤"使之成为可能

来自剑桥大学和伦敦大学学院（UCL）的研究人员开发出一种柔性导电皮肤。该材料易于制造，可熔融并塑造成各种复杂形状。该技术能感知并处理多种物理输入，使机器人能以更具意义的方式与物理世界交互。

现有的机器人触觉解决方案通常依赖嵌入在小区域的传感器，且需不同传感器检测不同类型的触摸。而剑桥与UCL团队研发的电子皮肤整体就是一个传感器，更接近人类皮肤的传感系统。

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，从而在单一材料中识别多种触摸和压力类型——例如手指轻点、冷热表面、切割或刺穿造成的损伤，以及多点同时触控。

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"识别哪些信号通路最关键，从而更高效地感知不同接触类型。

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工业、灾害救援等多元领域均有应用潜力。相关成果发表于《Science Robotics》期刊。

电子皮肤的工作原理是将压力或温度等物理信息转化为电信号。多数方案需为不同类型触感配备独立传感器——压力传感器、温度传感器等——再嵌入柔性材料中。但这些传感器的信号会相互干扰，且材料易损坏。

论文第一作者、剑桥大学工程系的David Hardman博士指出："为不同触感配备独立传感器导致材料制备工艺复杂。我们希望开发能在单一材料中同步检测多种触摸类型的解决方案。"

共同作者、伦敦大学学院的Thomas George Thuruthel博士补充："同时我们需要廉价耐用的材料，以适应大规模应用。"

他们的解决方案采用能对多种触摸产生差异化响应的传感器，即多模态传感技术。尽管区分信号成因存在挑战，但多模态传感材料更易制备且更坚固。

研究人员熔融具有导电性的明胶基水凝胶（柔软且可拉伸），浇铸成人类手掌形状。通过测试多种电极配置，确定最能有效获取不同类型触摸信息的方案。得益于导电材料的微小通路，仅需在手腕处布置32个电极，即可在全手区域收集超170万条信息。

该皮肤经受了多种触摸测试：热风枪加热、手指与机械臂按压、轻柔触摸，甚至手术刀切割。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提取海量信息——它们可快速获取数千次测量数据，"在共同作者Fumiya Iida教授实验室从事博士后研究的Hardman解释道，"它们在大表面积上同步测量多种物理量。"

Thuruthel表示："虽未达到人类皮肤水平，但我们认为它优于当前所有方案。该方法灵活且比传统传感器更易构建，还能通过人类触觉标定以适应多种任务。"

未来团队将致力于提升电子皮肤的耐久性，并在实际机器人任务中开展进一步测试。

本研究获得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。