觸覺(jué)作為人類(lèi)直接接觸外部環(huán)境的重要感覺(jué)功能，源于皮下觸覺(jué)小體對環(huán)境中不同刺激的反應和大腦對信號的識別。因此，觸覺(jué)不僅反映了對外界物理刺激（如溫度、濕度和壓力）的觸覺(jué)反應，還包括一系列基于大腦對信息提取和分析的心理參數，如物體的紋理、粗糙感等。隨著(zhù)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(jué)傳感器得到了發(fā)展。然而，由于心理感覺(jué)參數難以量化，要使機器人具備通過(guò)觸摸來(lái)識別材料的能力，仍然是巨大的挑戰。
中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所王中林院士、李舟研究員、羅聃研究員等人設計了一種超越人類(lèi)觸覺(jué)感知的智能手指，可用于智能機器人或人工假肢。作者將由具有不同摩擦電信號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)現基于摩擦電傳感識別材料的類(lèi)型和粗糙度?；跈C器學(xué)習的數據處理最大限度地減少了環(huán)境干擾，將識別準確率大幅提高至96.8%。當智能手指觸摸待測材料時(shí)，識別信息可直接投射到OLED屏幕上。這項工作通過(guò)摩擦電效應量化了觸覺(jué)心理參數，為人類(lèi)觸覺(jué)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)行報道。
圖1 相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）
模擬人體觸覺(jué)的關(guān)鍵難點(diǎn)
人類(lèi)觸覺(jué)系統可通過(guò)物理接觸來(lái)響應和量化觸覺(jué)信息，是人體與外界進(jìn)行交流的重要方式之一。觸覺(jué)不僅反映了人們對外界物理刺激（如溫度、濕度、壓力等）的反應，還包括一系列由大腦對信息進(jìn)行提取和分析的心理參數，如通過(guò)觸覺(jué)感知對質(zhì)地和粗糙度的識別。因此，不少科學(xué)家開(kāi)始致力于研究通過(guò)仿生觸覺(jué)傳感器，模擬人類(lèi)觸覺(jué)的工作。
然而，由于材料相關(guān)信息參數難以量化，現有的傳感器的開(kāi)發(fā)都或多或少地受制于傳感器性能與成本，難以廣泛應用于工業(yè)分類(lèi)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、高效率和高識別率的方法，對各種材料的性質(zhì)進(jìn)行分辨。
摩擦電效應讓仿生觸覺(jué)識別更加高效準確
李舟團隊構建的基于摩擦起電和靜電感應耦合原理的傳感陣列，可以規避現有傳感器的固有缺陷，可準確、廣泛地識別材料。
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，當所構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，可賦予智能手指對材料類(lèi)型感知的功能。
新型智能手指的組成
摩擦電觸覺(jué)感知智能手指由摩擦電傳感器陣列、數據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(jué)感知智能手指結構
智能手指識別不同材料時(shí)產(chǎn)生的摩擦電，可根據電負性和電正性來(lái)進(jìn)行評價(jià)（圖3）。將聚酰胺（PA66）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（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
新型智能手指的運行
研究人員采用鋁（Al）薄膜作為電極層，構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，即當傳感器與測試材料接觸并分離時(shí)，所產(chǎn)生信號的相對振幅、電壓方向或波形都是有規律性的。
傳感器采集模塊將這些信號記錄下來(lái)，再通過(guò)藍牙傳輸到計算機進(jìn)行機器學(xué)習分析，最終識別出的結果可通過(guò)計算機軟件或手指的OLED屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
李舟團隊表示，他們開(kāi)發(fā)的這種智能手指材料識別系統，結合機器學(xué)習實(shí)現了對材料類(lèi)型和粗糙度的精準識別與分類(lèi)，僅使用4個(gè)傳感單元，就可對12種常見(jiàn)材料（如丙烯酸，EVA，玻璃，PU，PVC，硅片，木頭等）進(jìn)行準確識別，準確率達96.8%。同時(shí)對不同粗糙度的單一材質(zhì)，識別準確率達96.5%。這為觸覺(jué)傳感器實(shí)現材料識別功能提供一種可行的方案。
新型智能手指的優(yōu)勢與應用前景
就目前而言，相比于以往熱導式、壓導式、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，在識別材料的范圍、準確率和響應速度等指標方面，都有著(zhù)較為明顯的優(yōu)勢。曲學(xué)鋮表示。
他解釋道，團隊本次研發(fā)的材料識別智能手指除了具有制造工藝簡(jiǎn)單、檢測速度快、識別效率高等特點(diǎn)，最大的優(yōu)勢也在于它能夠分辨相似性質(zhì)、相似外觀(guān)的材料。比如外觀(guān)相似并且都是塑料材質(zhì)的PET，PS，PVC等，該系統也可以有效地進(jìn)行分辨，并且識別準確率都能達到95%以上。
圖4 通過(guò)摩擦電傳感器陣列識別材料類(lèi)型和粗糙度
盡管項目執行期間，面臨傳感陣列所用到的接觸層材料挑選，以及對獲取到信號的特征信息處理，對機器學(xué)習的模型進(jìn)行迭代和精確匹配等問(wèn)題，但李舟團隊還是通過(guò)對各種材料進(jìn)行大量的實(shí)驗數據測試，來(lái)不斷優(yōu)化摩擦電傳感器和整個(gè)系統，最終攻克了這些難關(guān)。
未來(lái)，這種智能手指的應用場(chǎng)景將非常廣泛，有助于進(jìn)一步優(yōu)化人機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)機器中，幫助機器檢查產(chǎn)品的成分和表面結構等是否符合制造標準；還能夠幫助提高物料的分揀效率；還能夠應用到機器人和智能假肢中，使機器人和醫療康復輔具等具備材料分辨的能力，幫助機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：科技導報
