能感知5-600赫茲的寬頻振動(dòng)，耐摩擦2000次不壞，還能自清潔——科研人員研發(fā)出一款仿生紡織滑動(dòng)觸覺傳感器，讓機(jī)器擁有了媲美甚至超越人類的“觸覺神經(jīng)”。人類的手指是自然界最精密的觸覺儀器。指尖的四種機(jī)械感受器各司其職：有的感知靜態(tài)壓力，有的捕捉低頻顫動(dòng)，還有的專攻高頻振動(dòng)。正是這種精密分工，讓我們閉著眼也能分辨絲綢的順滑、砂紙的粗糙，甚至摸出盲文點(diǎn)字的意義。然而，要讓機(jī)器復(fù)現(xiàn)這種能力卻困難重重。傳統(tǒng)觸覺傳感器常?！捌啤薄軠y(cè)壓力的對(duì)振動(dòng)遲鈍，能測(cè)振動(dòng)的又難以兼顧靜態(tài)力；多個(gè)傳感器堆疊在一起，信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)臃腫不耐用；更別提在真實(shí)世界中隨手一摸就準(zhǔn)確識(shí)別物體了。

近日，安徽工程大學(xué)鄭賢宏團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校/西湖大學(xué)丁士超、澳門大學(xué)周冰樸、南京工業(yè)大學(xué)孫庚志等人在Advanced FunctionalMaterials上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果：他們研發(fā)出一種仿生紡織滑動(dòng)觸覺傳感器（BTSTS），不僅首次在單一壓阻式傳感器上實(shí)現(xiàn)了5-600赫茲的超寬頻振動(dòng)感知，突破了人類觸覺的生理極限（<500赫茲），還兼具超強(qiáng)耐磨、疏水自清潔的特性。與機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合后，系統(tǒng)能以超過98.8%的準(zhǔn)確率實(shí)時(shí)識(shí)別盲文、布料、木材、泡沫等跨域目標(biāo)。相關(guān)論文以《Intelligent, Robust and Biomimetic Textile Sliding Tactile Sensor With Ultrabroad Frequency Perception for Cross-Domain Object Recognition》為題發(fā)表。鄭賢宏博士、王帥、張潤(rùn)潤(rùn)、張曌博士為本文的共同第一作者。

圖1. 仿生紡織觸覺傳感系統(tǒng)的構(gòu)建

一塊布如何模擬人類觸覺？這主要取決于傳感器獨(dú)特的仿生結(jié)構(gòu)，完美復(fù)刻了人體慢適應(yīng)體和快適應(yīng)體的功能。當(dāng)物體按壓時(shí)，蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)生整體壓縮變形，導(dǎo)電纖維與電極的接觸面積增大，電阻降低——這模仿了慢適應(yīng)感受器的工作模式。滑動(dòng)時(shí)，表面微觀紋理引發(fā)的微小振動(dòng)使電極之間發(fā)生快速的界面微動(dòng)，產(chǎn)生高頻電信號(hào)——這與快適應(yīng)感受器的行為如出一轍。這使得傳感器具有超硬核性能：感知從2帕超輕觸到600赫茲高頻振動(dòng)。更妙的是，有限元模擬顯示，正面的PVDF絕緣層不僅提供保護(hù)，還將傳感器的固有頻率從64.3Hz提升至78.7Hz，意味著結(jié)構(gòu)剛度更高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，為捕捉高頻振動(dòng)信號(hào)奠定了物理基礎(chǔ)。傳感器的性能參數(shù)堪稱“六邊形戰(zhàn)士”。該傳感器不僅具備上述優(yōu)異的靜態(tài)力/機(jī)械振動(dòng)感知性能，耐用性同樣令人印象深刻。在砂紙上反復(fù)摩擦2000次后，傳感器表面雖有磨損但功能層依然完整。這一數(shù)值創(chuàng)下了同類傳感器的最高耐磨紀(jì)錄。


從信號(hào)到識(shí)別：機(jī)器學(xué)習(xí)賦能“電子皮膚”

有了高保真的觸覺信號(hào)，如何讓機(jī)器“讀懂”這些數(shù)據(jù)？研究團(tuán)隊(duì)將傳感器集成到一只商業(yè)手套的指尖，并開發(fā)了一套無(wú)線邊緣計(jì)算系統(tǒng)。當(dāng)戴著手套的手指以隨機(jī)速度和力度劃過物體表面時(shí)，傳感器采集的電流信號(hào)同時(shí)包含宏觀幾何形貌（低頻成分）和微觀紋理細(xì)節(jié)（高頻成分）。通過小波變換，這些混合信號(hào)被分解到時(shí)頻域，再通過機(jī)器學(xué)習(xí)提取關(guān)鍵特征，最終建立觸覺信號(hào)與物體身份之間的映射關(guān)系。


在包含21種日常材料（棉、麻、針織布、無(wú)紡布、泡沫、海綿、木材等）和22個(gè)盲文字符（數(shù)字、字母、電梯符號(hào)等）的測(cè)試中，系統(tǒng)表現(xiàn)驚艷。即使滑動(dòng)速度和接觸力度完全隨機(jī)——模擬真實(shí)世界中人類摸索物體的方式——盲文識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98.8%，紋理識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)99.9%。此外，該系統(tǒng)的整個(gè)識(shí)別過程的延遲僅0.5-20毫秒，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)時(shí)性，手機(jī)端App能同步顯示當(dāng)前觸碰的物體圖片、名稱并語(yǔ)音播報(bào)，為視障人士提供即時(shí)的環(huán)境感知輔助。

圖2.跨域目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用

應(yīng)用前景：從智能假肢到人形機(jī)器人

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于實(shí)驗(yàn)室的漂亮數(shù)據(jù)。它將材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)仿生和邊緣人工智能深度融合，為下一代觸覺智能系統(tǒng)提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。對(duì)于神經(jīng)假肢，這種兼具靜態(tài)壓力與寬頻振動(dòng)感知的傳感器有望讓截肢者重獲接近自然的觸覺反饋，精細(xì)到可以感受愛人指尖的輕觸或分辨衣物的質(zhì)地。對(duì)于人形機(jī)器人，集成BTSTS的機(jī)械手將能更靈巧地操作不同材質(zhì)的物體，在家庭服務(wù)、精密裝配等場(chǎng)景中大顯身手。而對(duì)于視障輔助設(shè)備，基于該傳感器的智能手套或指環(huán)能以聽覺或振動(dòng)形式反饋物體信息，成為“觸覺版”的智能導(dǎo)盲系統(tǒng)。這項(xiàng)工作在單一傳感機(jī)制下模擬了人類機(jī)械感受器的功能整合，并通過材料設(shè)計(jì)與嵌入式智能的耦合，為實(shí)際場(chǎng)景中的人機(jī)交互和感官增強(qiáng)開辟了新途徑。

論文鏈接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.74971

來(lái)源：國(guó)際仿生工程學(xué)會(huì)