機器人技術對觸覺感知的需求不斷增加，以實現機器人與周圍環境的友好互動。通常，采用柔性觸覺傳感器及人工感知系統來實現這一功能。現有的柔性觸覺傳感器主要專注于對物理刺激的精確檢測，如壓力、剪切力和應變等，以提供在機器人抓取或操作任務中更精準的反饋。然而，在觸摸目標物體時往往缺乏感知和識別真實世界的能力。相比之下，人類的皮膚，特別是指尖，不僅能感受和估量物體的重量，還能幫助識別接觸到的物體紋理、粗糙度和形狀等參數。
人體的指紋和皮下的機械感受器在紋理觸覺中發揮著關鍵作用。手指在滑動過程中，使指紋嵌入物體表面的微結構里，通過滑動摩擦產生了低頻壓力刺激和高頻振動刺激，并由皮膚中的慢適應機械感受器（SA）和快適應機械感受器（FA）分別檢測到相應的力刺激，該刺激產生的電位信號通過神經系統傳遞至大腦，供進一步的分析和判斷（識別）。然而，現有的研究很難在單一傳感器中同時實現SA和FA感受器的功能。因此，人工感知系統通常使用兩個傳感器（以及兩個收集和處理不同類型信號的電路），一個用于檢測靜壓，另一個專門用于檢測振動，這無疑增加了傳感系統集成和數據處理的難度。
近日，南方科技大學的郭傳飛課題組研發了一種基于柔性滑覺傳感的機器人觸覺感知系統用于紋理識別。該傳感器中，表面的指紋結構和傳感器中的微結構層對傳感性能起到關鍵作用。團隊采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印設備，實現了類指紋結構模板和分級微結構模板的高精度打印，并結合倒模技術制備了柔性PDMS人工指紋（周期：350 μm，高度：260μm）和具有分級微結構的離子凝膠（周期：200μm，高度: 55μm）。
這種應用需要傳感器具備高靈敏和快響應的性能，以實現對微小的結構起伏（高度）和精細的結構間距產生響應。團隊選擇了低粘度離子凝膠，并結合分級離-電傳感界面的設計，使滑覺傳感器具有高靈敏度（519kPa-1）和超快的響應-弛豫速度（2.4ms），可同時檢測靜壓和高達400 Hz的高頻振動。此外，傳感器能夠探測出周期為15μm、高度為6μm的微小結構，展現出很好的空間分辨率。在400Hz的高頻振動下，柔性滑覺傳感器能夠區分出0.02Hz的頻率變化，頻率分辨率達0.005%。這種超級高的時空分辨率使滑覺傳感器能夠準確區分具有緊密間距的微小表面特征，這對機器人在紋理識別方面具有重要意義。
本研究將柔性滑覺傳感器集成在機械手上，并建立起機器人觸覺感知系統。在固定滑動速度下，該觸覺傳感系統對20種結構相似的織物識別準確率高達100%。在隨機滑動速度下，由于數據的多樣性和復雜性，置信度略有下降，然而，平均識別準確率始終在98.5%以上。這一感知系統有望為機器人提升觸覺能力。
相關研究成果以“A robotic sensory system with high spatiotemporal resolution for texture recognition"為題發表在期刊《Nature Communications》上。該工作得到了國家自然科學基金委、廣東省科技廳和深圳市科創委的大力支持。
圖1. 模仿人類感官系統進行紋理識別的機器人感知系統。a. 人類的生物感官系統；b 本研究的人工觸覺感知系統。
圖2. 滑覺傳感器的結構、傳感特性以及靜態和動態壓力性能。a. 滑覺傳感器的結構示意圖；b. 人工指紋的微觀形貌圖；c. PVA-H3PO4 凝膠的形貌圖；d. 傳感器的響應曲線；e. 滑覺傳感器的響應-松弛時間；f. 傳感器在振動頻率為10、200 和 400 Hz的電容響應以及對應的頻譜；h. 滑覺傳感器與現有電容式傳感器在靈敏度、響應-弛豫時間、頻率帶寬的對比。
圖3. 滑覺傳感器的時空分辨率。a. 人工指紋的SEM圖；b. 滑覺傳感器對具有不同間距微結構的響應（滑動速度1 mm·s-1）；c.高度不同的微結構的SEM圖；d. 滑覺傳感器對具有不同高度微結構的響應（滑動速度1 mm·s-1）；d. 滑覺傳感器與圖 (c) 中的精細結構相互作用產生的信號；e.傳感器檢測到頻率為400.0、400.1 和 400.2 Hz 的振動時域信號和（f）對應的頻率信號；g. 被識別織物的微觀形貌圖；傳感器在不同滑動速度下滑過織物表面時采集的（h）時域信號和（i）對應的頻域信號。
圖4. 織物識別應用。a. 20種不同紡織品；b. 20種紡織品的結構周期；c. 20種紡織品在2 mm·s-1和40 mm·s-1滑動速度下的對應產生的特征頻率；d. 滑移傳感器以2 mm·s-1的滑動速率檢測20種紡織品的時域信號；e. 數據集的降維可視化；f. 特征提取和信號分類示意圖；g. 固定滑動速度下的識別準確率；h. 隨機滑動速度下傳感器滑過16號織物時的時域信號；i. 隨機滑動速率下的識別準確率。
圖5. 具有可視化用戶界面的便攜式實時傳感系統。a. 實時傳感系統的結構；b. 固定滑動速度下，實時紋理觸覺識別系統的演示（傳感器集成在機械手上）；c. 隨機滑動速度下，實時紋理觸覺識別系統的演示（傳感器集成在手指上）。
備注：已獲得轉載版權
4
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務