柔性磁性薄膜让机器人拥有超敏感触觉

可以想象，在不久的将来，诸如洗碗、拖地、擦玻璃之类的家务都会由家用机器人来承担，人类的双手就能够从繁琐小事中进一步解放出来。

但是一个重要的前提是，这些机器人必须足够完美——如果他们存在错误率，哪怕只有千分之一，就可能意味着，它在洗碗时，每 1000 个餐具中就会有 1 个掉在地上，而这是我们无法接受的。

因为之后恐怕会陷入一个恶性循环——地板不断被餐具碎片覆盖，机器人继续清理，清理过程中会摔掉更多的盘子，循环往复，无休无止。

为了避免这种噩梦的发生，工程师们需要赋予机器人足够敏锐的触觉，最好是能够达到接近人类的感知水平。

人类的皮肤可以感知法向力和剪切力的细微变化(即自解耦)，并能够以更高的分辨率感知刺激(即超分辨)。换句话说，人类的指尖可以感受到压力和纹理，这主要归功于皮肤上一种叫做机械感受器的特殊感觉细胞。

这些细胞连同整个神经系统，将来自环境的机械信息转换成大脑可以理解的“触觉”感知的信号。结合温度感受器和痛觉感受器，人类就可以在不伤害自己的情况下完成对周围环境的操控。

然而现有的机器人却不具备精确的力解耦、以及适当的空间分辨率，那么，如何才能让机器人实现精准抓握，避免餐具破损或者给人类带来损伤呢?

近日，香港城市大学、卡耐基梅隆大学、南方科技大学组建的科研团队共同研发了一种机器人指尖“皮肤”——一种柔软的正弦柔性磁化薄膜，厚度为 0.5 mm，这种薄膜会在设备内部产生磁场。

支撑手指的“骨头”是一块电路板，上面布满了传感器，可以监测磁场。例如，将一块橡皮放在指尖上，手指的磁场就会因为皮肤凹陷发生微妙的变化，然后传感器就会据此分析橡皮接触的位置。如果用这些指尖拍一下仿人机器人上，机器就能够很快明确手指和物体接触的位置，进而提高抓地力。

图 | 磁性皮肤的结构(来源：Science Robotics)

他们将传感器安装在机器人手爪的指尖上，经过反复试验发现，这种具有自解耦和超分辨能力的软触觉传感器可精确测量法向力和剪切力(一维演示)，并通过深度学习将超分辨精度提高了 60 倍——机器人可在外界干扰下稳定地抓取易碎物体，并能够通过遥控操作完成穿针等任务。

该研究成果发表在《科学·机器人》(Science Robotics)杂志上，标题为《实现自解耦与超分辨率触觉感知的柔性磁性皮肤》(Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling)。

“有了触觉反馈，家用机器人与人的互动会安全得多，而且机器人可以完成以前无法完成的更具挑战性的任务，比如灵巧的抓取和操作。”香港城市大学生物医学工程系的计算机科学家，上述论文的第一作者闫友璨表示。

视频 | 超分辨率触觉传感器的运动跟踪(来源：Science Robotics)

在上面的视频中，我们可以看到这种磁性皮肤的敏感程度：当物体划过“指尖”时，该系统不仅能感知到物体触碰到的地方，还能感知到物体的形状。

哥伦比亚大学机器人学家 Matei Ciocarlie 评论道：“这项工作是触觉传感领域中令人兴奋的新浪潮的一部分，即人们正在制造的传感器，能够提供极其丰富的原始数据，而这些数据却不一定是为了供人类使用的。”

有趣的是，Ciocarlie 在哥伦比亚大学的团队也开发出了一种类似的机械手指，但这种手指利用的不是磁力而是光——机械手指的“骨头”上布满了发光二极管(LED)和光电二极管，可在皮肤变形时检测结构内部的光如何发生变化。

事实上，这两种方法的初衷都是为了攻克机器人灵巧度欠缺的问题。如果要让这些机器在人类世界里发挥真正的作用，例如零失误地做完家务，他们就必须变得更加敏感，而在提升机器人触觉感知方面，显然我们还将有很长的路要走。

据悉，在不久的将来，研究人员可能将这种指尖整合到假肢中，让截肢者通过假肢获得更丰富的触摸体验。

不管怎样，新型磁性皮肤等类似的研究成果表明，科学家们在为机器人开发感官功能时，并不需要完全复制人类的生物学特征。因为，当我们试图将人类的身体功能复制到机器人身上时，反而会形成某种局限性，或许我们可以让机器人拥有超出人类想象的敏感性。

本文介绍的这项研究恰恰为触觉传感器的研发与设计提供了全新的思路，并有助于机器人领域的人机交互、自适应抓取和灵巧操作等各种应用的开发。

关键词： 柔性磁性薄膜