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光学皮肤+人造神经?机器人拥有“触觉”,远比你想的近

来源: 宣传文化中心  作者: 徐画  发布日期:2020-08-29

触觉被我们视为理所当然,但若失去触觉,系鞋带、拿杯子等日常动作将变得艰难。让失去的触觉重回身体,这样的场景似乎只在电影里出现:在《阿凡达》中,双腿瘫痪的主人公借助克隆人的身体,在潘多拉星球“站”了起来,重新感受坚实的土地。今天,在触觉传感研究人员的努力下,电影中的情节或将成真。

之江实验室超级感知研究中心的触觉感知团队,采用微纳光纤研制了高灵敏度的触觉传感器,通过实时监测光强信号,敏锐捕捉微弱压力、高频振动和弯曲角度等参数的变化。未来,这种高性能触觉传感器将在智慧医疗、智能机器人等领域大显身手。


光学皮肤,让触觉更敏锐

作为“五感”之一,触觉让我们敏锐感知外界压力、温度等环境因素的微小变动,安全、高效地应对环境变化,触觉传感器对可穿戴设备、机器人、智慧医疗等领域的发展至关重要,目前,电子皮肤、仿生皮肤、数据手套等触觉传感相关领域的研究已成一片“红海”。尽管基于电学原理的电子皮肤触觉传感器研究取得了很大成功,但是,电子皮肤在实际使用过程中仍面临着电磁干扰、响应时间、使用寿命和大面积集成等诸多方面的挑战。

针对触觉传感器研究和实际应用中的痛点问题,之江实验室触觉感知团队另辟蹊径,提出了以微纳光纤为人工神经,打造高性能触觉传感器的设想。经过大量实验,已经研制了一系列面向生命健康、智能机器人和虚拟现实的多参量触觉传感器。微纳光纤究竟具有什么样的特性,让团队成员对它青睐有加?团队负责人张磊博士道出了其中的奥秘。


微纳光纤,让光学皮肤拥有“感觉”

自2003年浙江大学童利民教授在《Nature》发表论文,首次介绍了微纳光纤的制备方法和光学传输特性之后,微纳光纤成为光学领域的研究前沿之一,被誉为“下一代光纤”。

顾名思义,微纳光纤是一种直径在微纳尺度的光纤。微纳光纤比头发细几十倍,是直径接近或小于传输光波长的介质。张磊介绍,微纳光纤有许多新颖的光学传输特性,极强的光场约束能力便是其中之一。强光场约束让微纳光纤能够以微米级的半径弯折,拥有极强的韧性,并在器件小型化及高密度、短距离光互联等方面具有潜在优势。其次, 微纳光纤原子级表面粗糙度保证了微纳光纤在大倏逝场条件下的低损耗传输。更重要的是,微纳光纤外围的强倏逝场对于外界刺激非常敏感,在制备高性能传感器时具有突出优势。

目前,团队研制的微纳光纤压力传感器的灵敏度高达1870kPa-1,检出下限低至7mPa,也就是说,能让机器人也感受到微风拂面的感觉。同时,最快响应时间小于10μs,能够精准感知高频振动信号。


从智慧医疗到家政看护,传感器中的“多面手”

随着人工智能2.0时代的到来,AI研究领域对传感器的需求也变得更加迫切。人工智能失去传感器,就像人类失去“五感”,无法感知周围的环境,吃饭、行走等日常动作将变得无比艰难。触觉作为机体运动的重要“感觉”之一,在传感器研发中具有无可取代的地位。

之江实验室触觉感知团队依托微纳光纤传感技术,研制了一系列高灵敏度的柔性触觉传感器。这些传感器模拟了人类触觉感知系统,在灵敏度、响应时间、抗疲劳性和器件功耗等方面表现优异。柔性聚合物包埋的微纳光纤如同皮肤中的神经,这些“神经”能够感受压力、拉伸、弯曲、滑动等变化,还能测量温度、湿度等环境参数。通过融合这些数据,触觉传感器就可以感知物体的硬度、纹理和轮廓等特性。

基于微纳光纤的感知原理,这种“光学皮肤”传感器不仅可以贴在皮肤上监测生理指标,还能与手套集成,感知手部关节的运动,实现对机械手的远程精准操控。在智能医疗领域,微纳光纤触觉传感器提供轻量、便捷、无感的指标测量服务,优化脉搏、呼吸率和体温等生理指标的测量体验。在家政服务领域,拥有这款类人皮肤的机器人,以敏锐的触觉感知为基础,为老人和小孩提供更安全的呵护。同时,人们还可通过触摸与机器人互动,与机器人进行“情感交流”,有效改善情绪、行为等方面的问题。

在不久的未来,微纳光纤触觉传感器将在智能机器人、智能制造、智慧医疗等领域大显神通,并携手VR/AR等新技术,为使用者营造触感逼真、身临其境的奇妙体验。