隨著機(jī)器人技術(shù)從“預(yù)設(shè)程序執(zhí)行"向“具身智能交互"發(fā)展，機(jī)器人與環(huán)境的物理交互能力成為制約其自主性與適應(yīng)性的關(guān)鍵瓶頸。觸覺感知作為機(jī)器人理解物體屬性、實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作、保障人機(jī)安全的核心傳感方式，其重要性日益凸顯。然而，當(dāng)前機(jī)器人的觸覺系統(tǒng)在感知維度、分辨率和信號理解能力上仍遠(yuǎn)遜于人類，難以支撐復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的真實(shí)場景任務(wù)。近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院丁文伯團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多所研究機(jī)構(gòu)，從鴿子的多光譜視覺與非成像感知機(jī)制中汲取靈感，提出一種仿生多模態(tài)觸覺傳感器（SuperTac），將多光譜成像、摩擦電傳感與慣性測量融為一體，并通過構(gòu)建觸覺語言模型（DOVE）實(shí)現(xiàn)觸覺信號的理解與推理，旨在推動(dòng)機(jī)器人觸覺感知向“人類水平"邁進(jìn)，為智能制造、醫(yī)療輔助與服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域提供新一代觸覺解決方案。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Sensors期上，也是國內(nèi)機(jī)構(gòu)以單位發(fā)表在該期刊上的文章。

研究背景

在觸覺傳感技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有主流方案主要包括電子皮膚與視觸覺傳感器兩類，但均存在顯著不足：

電子皮膚傳感器雖能通過多功能材料實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知，但提升空間分辨率需依賴密集電極陣列，易導(dǎo)致信號串?dāng)_、系統(tǒng)復(fù)雜、穩(wěn)定性下降，難以兼顧高分辨率與多模態(tài)融合;

視觸覺傳感器通過光學(xué)成像實(shí)現(xiàn)亞毫米級分辨率，易于與計(jì)算機(jī)視覺模型結(jié)合，但其感知譜段通常局限于可見光，缺乏對溫度、材質(zhì)、接近感等非成像模態(tài)的融合能力，限制了其在多物理場環(huán)境中的全面感知;

當(dāng)前觸覺系統(tǒng)普遍面臨觸覺信號解讀能力薄弱的問題，缺乏能夠融合多模態(tài)觸覺信息并進(jìn)行語義推理的智能模型，導(dǎo)致機(jī)器人“有感無知"，難以實(shí)現(xiàn)類人的觸覺認(rèn)知與交互決策。

設(shè)計(jì)與測試

生物靈感來源

受到鴿子視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，本工作的設(shè)計(jì)借鑒了其視網(wǎng)膜中多類型視錐細(xì)胞的分工機(jī)制，特別是紫外敏感細(xì)胞，以拓展傳感器的光譜感知范圍。同時(shí)，模擬了鴿子視網(wǎng)膜中用于磁場感知的特殊分子機(jī)制，將非成像感知能力遷移至觸覺傳感領(lǐng)域，從而突破傳統(tǒng)視覺傳感的局限。

效仿生物神經(jīng)系統(tǒng)對多感官信息并行處理與協(xié)同融合的原理，構(gòu)建了多模態(tài)傳感物理系統(tǒng)：通過紫外波段實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)追蹤與滑動(dòng)識別；可見光波段用于顏色與環(huán)境視覺感知；近紅外波段專攻紋理與接觸力分布檢測；中紅外波段負(fù)責(zé)溫度場測量。

結(jié)合基于PEDOT:PSS透明導(dǎo)電層設(shè)計(jì)的摩擦電傳感模塊，通過接觸靜電荷差異識別材質(zhì)并實(shí)現(xiàn)接近感知；集成MPU6050慣性測量單元實(shí)時(shí)采集三維姿態(tài)與加速度數(shù)據(jù)，支持碰撞檢測與振動(dòng)分析；最終通過氣壓可調(diào)的硅膠充氣支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成自適應(yīng)感知皮膚，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)0-7N力感知范圍，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的高保真輪廓重建。

感知皮膚設(shè)計(jì)

感知皮膚采用總厚度僅1mm的四層薄膜堆疊結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電層由PEDOT:PSS/TPU復(fù)合薄膜構(gòu)成，通過渦旋線電極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)均勻信號分布，兼具高透明度與良好導(dǎo)電性；熒光層采用紫外熒光油墨，可在紫外光下顯影、近紅外下透明，實(shí)現(xiàn)工作模式切換與標(biāo)記追蹤；反射層為銀粉/硅膠復(fù)合材料，具備單向鏡效應(yīng)，能通過光強(qiáng)控制實(shí)現(xiàn)不同波段的透明/不透明切換；支撐層采用氣壓可調(diào)的硅膠充氣薄膜，不僅提供機(jī)械支撐，更具備優(yōu)于傳統(tǒng)亞克力的中紅外透過性。

基于反射層的光控透明特性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能工作模式切換：觸覺模式下內(nèi)部光源開啟，薄膜呈不透明狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)表面紋理和力的精確檢測；視覺模式下內(nèi)部光源關(guān)閉，薄膜轉(zhuǎn)為透明狀態(tài)，允許外部環(huán)境光的直接觀測，形成獨(dú)特的光場調(diào)制機(jī)制。

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