香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系(BME)副教授沉亞靜博士是這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人之一。該發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在科學(xué)雜志《科學(xué)機(jī)器人》上，標(biāo)題為“用于具有力自解耦功能的超分辨率觸覺(jué)傳感的軟磁性皮膚”。

模仿人的皮膚特征

人體皮膚的主要特征是其感知剪切力的能力，剪切力是指使兩個(gè)物體在接觸時(shí)彼此滑動(dòng)或滑動(dòng)的力。通過(guò)感知剪切力的大小，方向和細(xì)微變化，我們的皮膚可以充當(dāng)反饋，使我們可以調(diào)整如何用手和手指穩(wěn)定地握住物體或握緊物體的程度。

為了模仿人類(lèi)皮膚的這一重要特征，沉博士和香港大學(xué)(HKU)的合作伙伴潘佳博士開(kāi)發(fā)了一種新穎的柔軟觸覺(jué)傳感器。該傳感器采用類(lèi)似于人類(lèi)皮膚的多層結(jié)構(gòu)，并包括一層柔軟且經(jīng)過(guò)特殊磁化處理的薄膜，其頂層厚度約為0.5毫米。當(dāng)外力施加在其上時(shí)，它可以檢測(cè)到由于薄膜變形而產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化。更重要的是，它可以將外力自動(dòng)“解耦”或分解為兩個(gè)分量-法向力(垂直于物體施加的力)和剪切力，分別提供這兩個(gè)力的精確測(cè)量值。

“解耦外力很重要，因?yàn)槊總€(gè)力分量對(duì)對(duì)象都有自己的影響。并且有必要知道每個(gè)力分量的準(zhǔn)確值以分析或控制對(duì)象的靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！盰an解釋說(shuō)。Youcan，BME的博士研究生，也是該論文的第一作者。

深度學(xué)習(xí)提高了準(zhǔn)確性

此外，該傳感器還具有另一個(gè)類(lèi)似于人類(lèi)皮膚的特征-觸覺(jué)“超分辨率”，可使其盡可能精確地定位刺激物的位置。沉博士說(shuō)：“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種利用深度學(xué)習(xí)的有效觸覺(jué)超分辨率算法，并將接觸位置的定位精度提高了60倍，這是迄今為止報(bào)道的超分辨率方法中最好的一種?！? 這種有效的觸覺(jué)超分辨率算法可以幫助提高具有最少數(shù)量的感測(cè)單元的觸覺(jué)傳感器陣列的物理分辨率，從而減少布線(xiàn)數(shù)量和信號(hào)傳輸所需的時(shí)間。

他補(bǔ)充說(shuō)：“據(jù)我們所知，這是第一個(gè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)自解耦和超分辨率能力的觸覺(jué)傳感器。”

帶有新傳感器的機(jī)械手完成了艱巨的任務(wù)

通過(guò)將傳感器安裝在機(jī)器人抓手的指尖，該團(tuán)隊(duì)證明了機(jī)器人可以完成具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。例如，機(jī)械手會(huì)穩(wěn)定地抓緊易碎的物體(例如雞蛋)，而外力會(huì)試圖將其拖走，或者通過(guò)遠(yuǎn)距離操作將針穿進(jìn)去。沉博士解釋說(shuō)：“我們的傳感器的超分辨率可以幫助機(jī)械手抓住物體時(shí)調(diào)整接觸位置。并且，機(jī)械臂可以根據(jù)觸覺(jué)傳感器的力解耦能力來(lái)調(diào)整力的大小。”

他補(bǔ)充說(shuō)，傳感器可以很容易地?cái)U(kuò)展為傳感器陣列的形式，甚至可以覆蓋未來(lái)覆蓋機(jī)器人整個(gè)身體的連續(xù)電子皮膚?？梢酝ㄟ^(guò)更改傳感器頂層(磁性膜)的磁化方向來(lái)調(diào)整傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍，而無(wú)需更改傳感器的厚度。這使得電子皮膚在不同部位具有與人體皮膚一樣的不同靈敏度和測(cè)量范圍。

而且，與其他觸覺(jué)傳感器相比，該傳感器的制造和校準(zhǔn)過(guò)程要短得多，從而便于實(shí)際應(yīng)用。

“這種擬議的傳感器可能有益于機(jī)器人領(lǐng)域的各種應(yīng)用，例如自適應(yīng)抓握，靈巧的操縱，紋理識(shí)別，智能修復(fù)和人機(jī)交互。具有皮膚可比性的軟人工觸覺(jué)傳感器的進(jìn)步可以使家用機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)。成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。”沉博士總結(jié)道。

沉博士和潘博士是本文的通訊作者。香港城市大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員包括BME的博士生Yan Youcan和Hu Zhe以及機(jī)械工程系的助理教授Yang Zhengbao博士。其他合作研究人員來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和南方科技大學(xué)。

該研究由中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金，香港研究資助局和深圳(中國(guó))重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助。