机器人也有触觉了?类似于人类指纹滑动传感器 帮助机器人识别不同织物纹理材质
《自然通讯》最近发布的一篇重要论文,该论文详细描述了一种独特的系统,其工作原理类似于人类手指具备感知能力一样,让机器人灵巧手搭载人工触觉传感器,实现识别斜纹布、灯芯绒和羊毛等精细纹理能力。这一突破性的技术,不仅为我们提供了对机器人和人体假肢的微妙触觉能力,同时有望在虚拟现实技术当中进行落地应用。
研究人员表示,该套系统模仿了人类指纹的特征,创建了一种灵活的滑动传感器。这一应用使得系统能够在传感器触摸或滑动表面时,识别表面纹理上的小特征。通过将这种传感器集成到假肢中,并配合机器学习技术,研究人员成功地捕获了微妙的触觉信号,并准确地识别出了20种不同的纺织品,包括亚麻、尼龙、聚酯纤维和泡泡纱,准确度高达100%。
▍人工感觉系统是如何运作的?
在人体生物感觉系统中,皮肤通过慢速自适应(SA)和快速自适应(FA)机械感受器感知外界时产生不导电的电位变化,信号通过神经系统传输到大脑进行进一步分析和判断。研究人员表示,该人工感觉系统模仿了人类感觉系统的功能,仅使用一个传感器就实现了SA和FA受体的两种功能——传感器在物理交互过程中既可以响应静压,也可以响应高频振动与纹理或其他物体。具有时空信息的信号进一步通过电路收集和传输,并使用机器学习进行分析,并在可视化用户界面中输出识别结果。
a人类的生物感觉系统。b本研究的人工感觉系统,传感器可以检测静态和动态压力。
▍滑动传感器的材料、结构、传感特性以及静态和动态压力检测的机制
这款滑动传感器是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的人工指纹,以及聚乙烯醇(PVA)-磷酸(H 3 PO 4 ,8.3 wt.%)离子凝胶层、两个柔性电极组成聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的金薄膜和用于封装的平面PDMS薄膜人工指纹由一组同心椭圆形结构组成,其具有高度为260μm的三角形脊,结构间距为350μm。人造指纹的尺寸和弹性模量都接近人类指纹的尺寸,以有效捕获触觉期间的振动刺激。
▍滑动传感器的时空分辨率
传感器顶部的PDMS指纹模仿人类指纹来捕捉交互过程中的振动刺激,而指纹尖端的尺寸决定了传感器的空间分辨率。如果没有指纹,传感器虽然高度敏感,但可能无法有效地与表面纹理交互。高空间分辨率使传感器能够检测微小的表面特征,包括纺织品的微米级纤维(直径数十微米)。此外,滑动传感器的空间分辨率优于人类指尖的空间分辨率。
在区分非结构化表面时,人类指尖的准确度较差(平均准确度为 24.3%,所有情况下准确度≤44%),且Kappa系数较小(0.12,表明与不可靠数据的一致性最低 45 ),特征尺寸为 10、15、20、30、40 和 50μm的表面纹理。通过对比实验结果表明,人类无法解析小于 50μm 的结构。
▍结语与未来
这一发现的重要性在于,它提供了一种全新的方式来提高机器人的感知能力,帮助佩戴人工假肢的患者恢复感觉,推动基于触觉的虚拟现实和消费电子产品的发展。这不仅可能改变我们对机器人和假肢的看法,而且还有可能引领下一次的技术革命,让我们进入一个更加逼真的虚拟世界。
这项研究是一项重大的突破,它为我们提供了一种全新的方式来感知和理解我们所处的环境。通过模仿人类的触觉系统,我们有可能创造出更加智能、更加敏感的机器人和假肢,以及更加真实的虚拟现实装备。
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