香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系（BME）副教授沉亞靜博士是這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人之一。該發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在科學(xué)雜志《科學(xué)機(jī)器人》上，標(biāo)題為“用于具有力自解耦功能的超分辨率觸覺傳感的軟磁性皮膚”。

模仿人的皮膚特征

人體皮膚的主要特征是其感知剪切力的能力，剪切力是指使兩個(gè)物體在接觸時(shí)彼此滑動(dòng)或滑動(dòng)的力。通過感知剪切力的大小，方向和細(xì)微變化，我們的皮膚可以充當(dāng)反饋，使我們可以調(diào)整如何用手和手指穩(wěn)定地握住物體或握緊物體的程度。

為了模仿人類皮膚的這一重要特征，沉博士和香港大學(xué)（HKU）的合作伙伴潘佳博士開發(fā)了一種新穎的柔軟觸覺傳感器。該傳感器采用類似于人類皮膚的多層結(jié)構(gòu)，并包括一層柔軟且經(jīng)過特殊磁化處理的薄膜，其頂層厚度約為0.5毫米。當(dāng)外力施加在其上時(shí)，它可以檢測到由于薄膜變形而產(chǎn)生的磁場變化。更重要的是，它可以將外力自動(dòng)“解耦”或分解為兩個(gè)分量-法向力（垂直于物體施加的力）和剪切力，分別提供這兩個(gè)力的精確測量值。

“解耦外力很重要，因?yàn)槊總€(gè)力分量對(duì)對(duì)象都有自己的影響。并且有必要知道每個(gè)力分量的準(zhǔn)確值以分析或控制對(duì)象的靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。”Yan解釋說。Youcan，BME的博士研究生，也是該論文的第一作者。

深度學(xué)習(xí)提高了準(zhǔn)確性

此外，該傳感器還具有另一個(gè)類似于人類皮膚的特征-觸覺“超分辨率”，可使其盡可能精確地定位刺激物的位置。沉博士說：“我們已經(jīng)開發(fā)出一種利用深度學(xué)習(xí)的有效觸覺超分辨率算法，并將接觸位置的定位精度提高了60倍，這是迄今為止報(bào)道的超分辨率方法中最好的一種?！?這種有效的觸覺超分辨率算法可以幫助提高具有最少數(shù)量的感測單元的觸覺傳感器陣列的物理分辨率，從而減少布線數(shù)量和信號(hào)傳輸所需的時(shí)間。

他補(bǔ)充說：“據(jù)我們所知，這是第一個(gè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)自解耦和超分辨率能力的觸覺傳感器。”

帶有新傳感器的機(jī)械手完成了艱巨的任務(wù)

通過將傳感器安裝在機(jī)器人抓手的指尖，該團(tuán)隊(duì)證明了機(jī)器人可以完成具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。例如，機(jī)械手會(huì)穩(wěn)定地抓緊易碎的物體（例如雞蛋），而外力會(huì)試圖將其拖走，或者通過遠(yuǎn)距離操作將針穿進(jìn)去。沉博士解釋說：“我們的傳感器的超分辨率可以幫助機(jī)械手抓住物體時(shí)調(diào)整接觸位置。并且，機(jī)械臂可以根據(jù)觸覺傳感器的力解耦能力來調(diào)整力的大小。”

他補(bǔ)充說，傳感器可以很容易地?cái)U(kuò)展為傳感器陣列的形式，甚至可以覆蓋未來覆蓋機(jī)器人整個(gè)身體的連續(xù)電子皮膚?？梢酝ㄟ^更改傳感器頂層（磁性膜）的磁化方向來調(diào)整傳感器的靈敏度和測量范圍，而無需更改傳感器的厚度。這使得電子皮膚在不同部位具有與人體皮膚一樣的不同靈敏度和測量范圍。

而且，與其他觸覺傳感器相比，該傳感器的制造和校準(zhǔn)過程要短得多，從而便于實(shí)際應(yīng)用。

“這種擬議的傳感器可能有益于機(jī)器人領(lǐng)域的各種應(yīng)用，例如自適應(yīng)抓握，靈巧的操縱，紋理識(shí)別，智能修復(fù)和人機(jī)交互。具有皮膚可比性的軟人工觸覺傳感器的進(jìn)步可以使家用機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)。成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。”沉博士總結(jié)道。

沉博士和潘博士是本文的通訊作者。香港城市大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員包括BME的博士生Yan Youcan和Hu Zhe以及機(jī)械工程系的助理教授Yang Zhengbao博士。其他合作研究人員來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和南方科技大學(xué)。

該研究由中國國家自然科學(xué)基金，香港研究資助局和深圳（中國）重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助。

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