機器人有了“皮膚”觸覺(創(chuàng)新匯)

　　機器人能否像人類一樣，擁有一層柔軟、靈敏、能知冷知熱的“皮膚”？近期，英國劍橋大學和倫敦大學學院的研究團隊在《科學·機器人學》雜志上發(fā)表一項成果：他們研發(fā)出一種新型柔性導電機器人“皮膚”，可同時感知壓力、溫度等，甚至可以區(qū)分多個接觸點，以類似人類的方式獲取周圍環(huán)境信息。論文第一作者、劍橋大學工程系博士大衛(wèi)—哈德曼在接受本報記者采訪時表示：“這款‘皮膚’由單一材料制成，僅需一種傳感器，就能夠同時識別多種刺激，并且可塑造成各種復雜形狀，這在以前是難以實現(xiàn)的。”

　　人體皮膚內(nèi)分布有感覺神經(jīng)及運動神經(jīng)，其神經(jīng)末梢和特殊感受器廣泛分布在表皮、真皮及皮下組織內(nèi)，以感知體內(nèi)外的各種刺激，產(chǎn)生各種感覺，引起相應的神經(jīng)反射。傳統(tǒng)機器人“皮膚”多依賴微機電系統(tǒng)，在表面鋪設大量微型傳感器以模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)。然而這類方案制造工藝復雜、軟硬材料易分層、結構脆弱，且傳感器之間常存在信號干擾，難以實現(xiàn)大面積部署，功能也遠未達到人類皮膚的綜合感知水平。

　　此次英國研究團隊的重要突破，是讓機器人用一種傳感器就識別出多種不同的刺激。這種名為“電阻抗斷層掃描”的檢測方法，通過在單層水凝膠膜周圍設置32個電極，每4個電極組合成1個測量單元，可生成超過86萬種不同的電流路徑組合，形成高密度、全覆蓋的傳感網(wǎng)絡。比如，研究人員先通過一對電極在水凝膠“皮膚”上施加微弱電流，當外在條件變化時，如溫度升高、濕度改變、接觸物體等，水凝膠的電學特性隨之改變，進而使此前施加的電流發(fā)生變化。另一對電極則實時監(jiān)測這一變化。通過分析電流模式的差異，系統(tǒng)即可判斷出這塊“皮膚”受到了什么刺激。

　　由于“皮膚”每時每刻都在接受外界傳來的多種刺激，其產(chǎn)生的“電信號”復雜多元。為有效處理這些信息反饋，研究團隊引入人工智能算法訓練，使系統(tǒng)能夠自主學習并識別哪些電極組合可以最有效地區(qū)分特定刺激。簡而言之，這些電極作為“神經(jīng)”，人工智能作為“大腦”，特定的電信號被“大腦”識別后解讀為對應的“感覺”，由此機器人也有了“觸覺系統(tǒng)”。

　　此次研究的另一重要創(chuàng)新體現(xiàn)在其選用的柔性材料上。該材料為水凝膠，是一種極為親水的三維網(wǎng)絡結構凝膠，導電性能好、柔軟可塑，對機械力、溫度和濕度均敏感。它可以直接塑造出復雜的形態(tài)，例如等比例的成人手掌模型等。用水凝膠制成的仿真“皮膚”，更加柔軟且有觸覺，為構建高度仿生、性能穩(wěn)定的下一代人工皮膚系統(tǒng)奠定了材料基礎。

　　“這項基于水凝膠和電阻抗斷層掃描的多模態(tài)傳感技術，不僅是機器人感知與材料科學領域的新突破，還體現(xiàn)了計算智能與生物仿生融合的新趨勢。”北京大學先進制造與機器人學院教授喻俊志對本報記者表示，該研究以一層水凝膠、一圈電極和一套識別系統(tǒng)突破了人工皮膚傳統(tǒng)設計瓶頸，用數(shù)據(jù)驅動的方式讓柔性材料“學會”辨識復雜信息。當人工皮膚能像人類皮膚一樣精細感知環(huán)境，人機交互的邊界正被重新定義。

　　盡管成果顯著，但是該技術仍面臨挑戰(zhàn)。例如，水凝膠在空氣中易失水干裂，且在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定。另外，當前系統(tǒng)完成一次全區(qū)域掃描耗時較長，尚難滿足高速交互需求。研究團隊表示，下一步將聚焦于開發(fā)更穩(wěn)定的新型水凝膠或替代材料，并優(yōu)化算法以提升響應速度。

　　“無論如何，給機器人制造‘皮膚’意義重大。”喻俊志表示，“觸覺”對機器人的改變不只是多了一種感官，而是能夠提升機器人與外在環(huán)境的交互能力，幫助其適應更加復雜的環(huán)境。未來，此類人工皮膚有望應用于人形機器人、醫(yī)療健康監(jiān)測、智能穿戴設備、智能假肢、工業(yè)制造和災后救援等領域。同時，該技術也將推動柔性電子、智能材料和類腦感知系統(tǒng)等前沿科技進一步發(fā)展。

　　本報記者 褚 君

　　《人民日報》(2025年12月22日 第 14 版)