機器人技術(shù)對觸覺(jué)感知的需求不斷增加，以實(shí)現機器人與周?chē)h(huán)境的友好互動(dòng)。通常，采用柔性觸覺(jué)傳感器及人工感知系統來(lái)實(shí)現這一功能?，F有的柔性觸覺(jué)傳感器主要專(zhuān)注于對物理刺激的精確檢測，如壓力、剪切力和應變等，以提供在機器人抓取或操作任務(wù)中更精準的反饋。然而，在觸摸目標物體時(shí)往往缺乏感知和識別真實(shí)世界的能力。相比之下，人類(lèi)的皮膚，特別是指尖，不僅能感受和估量物體的重量，還能幫助識別接觸到的物體紋理、粗糙度和形狀等參數。

人體的指紋和皮下的機械感受器在紋理觸覺(jué)中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。手指在滑動(dòng)過(guò)程中，使指紋嵌入物體表面的微結構里，通過(guò)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生了低頻壓力刺激和高頻振動(dòng)刺激，并由皮膚中的慢適應機械感受器（SA）和快適應機械感受器（FA）分別檢測到相應的力刺激，該刺激產(chǎn)生的電位信號通過(guò)神經(jīng)系統傳遞至大腦，供進(jìn)一步的分析和判斷（識別）。然而，現有的研究很難在單一傳感器中同時(shí)實(shí)現SA和FA感受器的功能。因此，人工感知系統通常使用兩個(gè)傳感器（以及兩個(gè)收集和處理不同類(lèi)型信號的電路），一個(gè)用于檢測靜壓，另一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于檢測振動(dòng)，這無(wú)疑增加了傳感系統集成和數據處理的難度。

近日，南方科技大學(xué)的郭傳飛課題組研發(fā)了一種基于柔性滑覺(jué)傳感的機器人觸覺(jué)感知系統用于紋理識別。該傳感器中，表面的指紋結構和傳感器中的微結構層對傳感性能起到關(guān)鍵作用。團隊采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印設備，實(shí)現了類(lèi)指紋結構模板和分級微結構模板的高精度打印，并結合倒模技術(shù)制備了柔性PDMS人工指紋（周期：350 μm，高度：260μm）和具有分級微結構的離子凝膠（周期：200μm，高度: 55μm）。

這種應用需要傳感器具備高靈敏和快響應的性能，以實(shí)現對微小的結構起伏（高度）和精細的結構間距產(chǎn)生響應。團隊選擇了低粘度離子凝膠，并結合分級離-電傳感界面的設計，使滑覺(jué)傳感器具有高靈敏度（519kPa-1）和超快的響應-弛豫速度（2.4ms），可同時(shí)檢測靜壓和高達400 Hz的高頻振動(dòng)。此外，傳感器能夠探測出周期為15μm、高度為6μm的微小結構，展現出很好的空間分辨率。在400Hz的高頻振動(dòng)下，柔性滑覺(jué)傳感器能夠區分出0.02Hz的頻率變化，頻率分辨率達0.005%。這種超級高的時(shí)空分辨率使滑覺(jué)傳感器能夠準確區分具有緊密間距的微小表面特征，這對機器人在紋理識別方面具有重要意義。

本研究將柔性滑覺(jué)傳感器集成在機械手上，并建立起機器人觸覺(jué)感知系統。在固定滑動(dòng)速度下，該觸覺(jué)傳感系統對20種結構相似的織物識別準確率高達100%。在隨機滑動(dòng)速度下，由于數據的多樣性和復雜性，置信度略有下降，然而，平均識別準確率始終在98.5%以上。這一感知系統有望為機器人提升觸覺(jué)能力。

相關(guān)研究成果以“A robotic sensory system with high spatiotemporal resolution for texture recognition"為題發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳和深圳市科創(chuàng )委的大力支持。

圖1. 模仿人類(lèi)感官系統進(jìn)行紋理識別的機器人感知系統。a. 人類(lèi)的生物感官系統；b 本研究的人工觸覺(jué)感知系統。

圖2. 滑覺(jué)傳感器的結構、傳感特性以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力性能。a. 滑覺(jué)傳感器的結構示意圖；b. 人工指紋的微觀(guān)形貌圖；c. PVA-H3PO4 凝膠的形貌圖；d. 傳感器的響應曲線(xiàn)；e. 滑覺(jué)傳感器的響應-松弛時(shí)間；f. 傳感器在振動(dòng)頻率為10、200 和 400 Hz的電容響應以及對應的頻譜；h. 滑覺(jué)傳感器與現有電容式傳感器在靈敏度、響應-弛豫時(shí)間、頻率帶寬的對比。

圖3. 滑覺(jué)傳感器的時(shí)空分辨率。a. 人工指紋的SEM圖；b. 滑覺(jué)傳感器對具有不同間距微結構的響應（滑動(dòng)速度1 mm·s-1）；c.高度不同的微結構的SEM圖；d. 滑覺(jué)傳感器對具有不同高度微結構的響應（滑動(dòng)速度1 mm·s-1）；d. 滑覺(jué)傳感器與圖 (c) 中的精細結構相互作用產(chǎn)生的信號；e.傳感器檢測到頻率為400.0、400.1 和 400.2 Hz 的振動(dòng)時(shí)域信號和（f）對應的頻率信號；g. 被識別織物的微觀(guān)形貌圖；傳感器在不同滑動(dòng)速度下滑過(guò)織物表面時(shí)采集的（h）時(shí)域信號和（i）對應的頻域信號。

圖4. 織物識別應用。a. 20種不同紡織品；b. 20種紡織品的結構周期；c. 20種紡織品在2 mm·s-1和40 mm·s-1滑動(dòng)速度下的對應產(chǎn)生的特征頻率；d. 滑移傳感器以2 mm·s-1的滑動(dòng)速率檢測20種紡織品的時(shí)域信號；e. 數據集的降維可視化；f. 特征提取和信號分類(lèi)示意圖；g. 固定滑動(dòng)速度下的識別準確率；h. 隨機滑動(dòng)速度下傳感器滑過(guò)16號織物時(shí)的時(shí)域信號；i. 隨機滑動(dòng)速率下的識別準確率。

圖5. 具有可視化用戶(hù)界面的便攜式實(shí)時(shí)傳感系統。a. 實(shí)時(shí)傳感系統的結構；b. 固定滑動(dòng)速度下，實(shí)時(shí)紋理觸覺(jué)識別系統的演示（傳感器集成在機械手上）；c. 隨機滑動(dòng)速度下，實(shí)時(shí)紋理觸覺(jué)識別系統的演示（傳感器集成在手指上）。

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