讓機器人“擁有”人一樣的敏感觸覺

面板是人體最大的感覺器官，是人與外界環境接觸交流的重要部分。它賦予人類感知不同形狀紋理、溫度變化和接觸壓力的能力。在生物學上，面板感知外界的重要媒介是嵌於面板下的各種感知受體，這些感知受體能將外界與面板接觸產生的資訊轉換成電訊號。

對於人類來說，觸覺在我們日常生活工作中起著至關重要的作用。觸控與視覺相結合對於拾取物體等任務至關重要。而在機器人操縱領域，對於拿起不同的粗糙度表面的東西需要用多大的力，以怎樣的姿勢拿比較合適，這些對於人類來說再簡單不過的問題，對機器人來說顯然並不那麼輕鬆。其中機器人手或抓手在拾取物體的同時需要增加觸覺才可以消除在抓取柔軟，易碎和可變形物體時所選擇的力的不確定性。因此，電子面板是從根源上解決該問題的關鍵。

（圖片來自網路）

何為電子面板？

顧名思義，它是一種人造的類面板的電學器件，其基本作用是模擬人類面板的功能。電子面板是透過電學訊號的整合與反饋來模擬人體面板感受外界刺激（壓力、溫度、溼度）的新型電子器件。在電子面板的各種感知能力中，觸覺感知尤為重要。在過去幾十年中，電子面板因在智慧機器人、健康監測、可穿戴裝置和人機互動方面具有廣闊的應用前景而備受全球矚目。

在此背景下，中國科學院上海高等研究院曾祥瓊研究員的研究團隊從模擬人體面板感測機制和結構出發，創造性地將聚二甲基矽氧烷微球（PDMS微球）與石墨烯相結合，設計了一種基於指紋結構的新型多功能電子面板；利用石墨烯-PDMS微球油墨進行3D列印，構建了具有指紋微結構的石墨烯基多功能觸覺感知電子面板器件，在此基礎上提出了對於不同粗糙度表面的摩擦力檢測方案。

圖1 觸覺感測器設計原理及3D列印流程 a)製備PDMS-石墨烯複合油墨的流程示意圖；b)感測器靈敏層3D列印示意圖；c)透過處理觸覺訊號區分不同粗糙度表面示意圖

那麼，電子面板究竟是如何區分不同粗糙度表面的呢？

透過對電子面板感測效能的研究發現，所構建的感測器不僅對壓力具有靈敏響應，而且能有效反饋摩擦力的大小，因此利用感測器這一特性可以區分出具有不同粗糙度的表面，從而實現對物體表面的粗糙度、硬度等資訊的有效區分和識別。

圖2 a) 鐳射加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌；b) 鐳射加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度(Sa) ；c) 人體手指對不同粗糙度表面的觸覺反應實驗示意圖；d)手指與不同表面作用下的平均摩擦係數；e) 實驗裝置示意圖；f) 壓力載荷(1N)作用於不同表面粗糙度的鐳射加工表面滑動時的摩擦力曲線；g) 摩擦力作用下感測器的電阻變化。

透過風載實驗，驗證了石墨烯-PDMS微球觸覺感測器還能夠對氣體等流體進行有效的響應。這表明石墨烯-PDMS微球觸覺感測器不僅可以運用到電子面板，用於對不同粗糙度表面的檢測，而且還能擴充套件到其他應用，如氣流監測、聲音檢測等。這項工作為可穿戴式感測提供了新途徑，為電子面板的發展提供了新的思路。

參考文獻：H. H. Wang, Y.M. Cen, X.Q. Zeng, Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking the Microstructure Perception Behavior of Human Skin, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 24, 28538–28545

來源：中國科學院上海高等研究院