觸覺作為人類直接接觸外部環(huán)境的重要感覺功能，源于皮下觸覺小體對(duì)環(huán)境中不同刺激的反應(yīng)和大腦對(duì)信號(hào)的識(shí)別。因此，觸覺不僅反映了對(duì)外界物理刺激（如溫度、濕度和壓力）的觸覺反應(yīng)，還包括一系列基于大腦對(duì)信息提取和分析的心理參數(shù)，如物體的紋理、粗糙感等。隨著功能材料和微納加工技術(shù)的快速發(fā)展，具有高柔性、空間分辨率和靈敏度的觸覺傳感器得到了發(fā)展。然而，由于心理感覺參數(shù)難以量化，要使機(jī)器人具備通過(guò)觸摸來(lái)識(shí)別材料的能力，仍然是巨大的挑戰(zhàn)。
中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、李舟研究員、羅聃研究員等人設(shè)計(jì)了一種超越人類觸覺感知的智能手指，可用于智能機(jī)器人或人工假肢。作者將由具有不同摩擦電信號(hào)的幾種典型材料組成的傳感器陣列集成到智能手指中，實(shí)現(xiàn)基于摩擦電傳感識(shí)別材料的類型和粗糙度?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)處理最大限度地減少了環(huán)境干擾，將識(shí)別準(zhǔn)確率大幅提高至96.8%。當(dāng)智能手指觸摸待測(cè)材料時(shí)，識(shí)別信息可直接投射到OLED屏幕上。這項(xiàng)工作通過(guò)摩擦電效應(yīng)量化了觸覺心理參數(shù)，為人類觸覺感知建模的新時(shí)代鋪平了道路。該研究以題為Artificial tactile perception smart finger for material identification based on triboelectric sensing的論文發(fā)表在《Science Advances》上，并被Nature作為研究亮點(diǎn)進(jìn)行報(bào)道。
圖1 相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）
模擬人體觸覺的關(guān)鍵難點(diǎn)
人類觸覺系統(tǒng)可通過(guò)物理接觸來(lái)響應(yīng)和量化觸覺信息，是人體與外界進(jìn)行交流的重要方式之一。觸覺不僅反映了人們對(duì)外界物理刺激（如溫度、濕度、壓力等）的反應(yīng)，還包括一系列由大腦對(duì)信息進(jìn)行提取和分析的心理參數(shù)，如通過(guò)觸覺感知對(duì)質(zhì)地和粗糙度的識(shí)別。因此，不少科學(xué)家開始致力于研究通過(guò)仿生觸覺傳感器，模擬人類觸覺的工作。
然而，由于材料相關(guān)信息參數(shù)難以量化，現(xiàn)有的傳感器的開發(fā)都或多或少地受制于傳感器性能與成本，難以廣泛應(yīng)用于工業(yè)分類和肢體殘障人士的日常生活中。因此，人們迫切需要一種低成本、高效率和高識(shí)別率的方法，對(duì)各種材料的性質(zhì)進(jìn)行分辨。
摩擦電效應(yīng)讓仿生觸覺識(shí)別更加高效準(zhǔn)確
李舟團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的基于摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合原理的傳感陣列，可以規(guī)避現(xiàn)有傳感器的固有缺陷，可準(zhǔn)確、廣泛地識(shí)別材料。
背后的大致原理是，每種材料都有不同的獲得或失去電子的能力，當(dāng)所構(gòu)建的傳感器與特定物體接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定的摩擦電特性信息，通過(guò)獲取并分析不同材料特有的摩擦電特性信息，可賦予智能手指對(duì)材料類型感知的功能。
新型智能手指的組成
摩擦電觸覺感知智能手指由摩擦電傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊和顯示模塊（OLED屏幕）組成（圖2）。摩擦電傳感器陣列包含多個(gè)離散的傳感器，可反映傳感器與接觸材料之間的摩擦電特征信息。
圖2 摩擦電觸覺感知智能手指結(jié)構(gòu)
智能手指識(shí)別不同材料時(shí)產(chǎn)生的摩擦電，可根據(jù)電負(fù)性和電正性來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)（圖3）。將聚酰胺（PA66）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚四氟乙烯（PTFE）等不同的摩擦電材料整理為一個(gè)系列可作為每個(gè)傳感器的摩擦層。
圖3 不同摩擦電的典型材料：電負(fù)性從右到左遞增；相反，電正性從左到右遞增
新型智能手指的運(yùn)行
研究人員采用鋁（Al）薄膜作為電極層，構(gòu)成單電極垂直接觸分離模式摩擦電傳感器。這種具有不同摩擦電特性的傳感器組合，保證了其在接觸各種材料時(shí)產(chǎn)生不同的特征信號(hào)，即當(dāng)傳感器與測(cè)試材料接觸并分離時(shí)，所產(chǎn)生信號(hào)的相對(duì)振幅、電壓方向或波形都是有規(guī)律性的。
傳感器采集模塊將這些信號(hào)記錄下來(lái)，再通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)分析，最終識(shí)別出的結(jié)果可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件或手指的OLED屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
李舟團(tuán)隊(duì)表示，他們開發(fā)的這種智能手指材料識(shí)別系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料類型和粗糙度的精準(zhǔn)識(shí)別與分類，僅使用4個(gè)傳感單元，就可對(duì)12種常見材料（如丙烯酸，EVA，玻璃，PU，PVC，硅片，木頭等）進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)96.8%。同時(shí)對(duì)不同粗糙度的單一材質(zhì)，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)96.5%。這為觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)材料識(shí)別功能提供一種可行的方案。
新型智能手指的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景
就目前而言，相比于以往熱導(dǎo)式、壓導(dǎo)式、電容式等原理的傳感器，我們研發(fā)的基于摩擦電傳感器的智能手指，在識(shí)別材料的范圍、準(zhǔn)確率和響應(yīng)速度等指標(biāo)方面，都有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。曲學(xué)鋮表示。
他解釋道，團(tuán)隊(duì)本次研發(fā)的材料識(shí)別智能手指除了具有制造工藝簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、識(shí)別效率高等特點(diǎn)，最大的優(yōu)勢(shì)也在于它能夠分辨相似性質(zhì)、相似外觀的材料。比如外觀相似并且都是塑料材質(zhì)的PET，PS，PVC等，該系統(tǒng)也可以有效地進(jìn)行分辨，并且識(shí)別準(zhǔn)確率都能達(dá)到95%以上。
圖4 通過(guò)摩擦電傳感器陣列識(shí)別材料類型和粗糙度
盡管項(xiàng)目執(zhí)行期間，面臨傳感陣列所用到的接觸層材料挑選，以及對(duì)獲取到信號(hào)的特征信息處理，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的模型進(jìn)行迭代和精確匹配等問題，但李舟團(tuán)隊(duì)還是通過(guò)對(duì)各種材料進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，來(lái)不斷優(yōu)化摩擦電傳感器和整個(gè)系統(tǒng)，最終攻克了這些難關(guān)。
未來(lái)，這種智能手指的應(yīng)用場(chǎng)景將非常廣泛，有助于進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)之間的信息交互傳感效能。李舟表示，該智能手指不僅易于集成到工業(yè)機(jī)器中，幫助機(jī)器檢查產(chǎn)品的成分和表面結(jié)構(gòu)等是否符合制造標(biāo)準(zhǔn)；還能夠幫助提高物料的分揀效率；還能夠應(yīng)用到機(jī)器人和智能假肢中，使機(jī)器人和醫(yī)療康復(fù)輔具等具備材料分辨的能力，幫助機(jī)器人和殘疾患者提升與外界環(huán)境溝通交互的真實(shí)感。
來(lái)源：科技導(dǎo)報(bào)
