觸覺作為人類直接接觸外部環(huán)境的重要感覺功能，源于皮下觸覺小體對環(huán)境中不同刺激的反應(yīng)和大腦對信號的識別。因此，觸覺不僅反映了對外界物理刺激（如溫度、濕度和壓力）的觸覺反應(yīng)，還包括一系列基于大腦對信息提取和分析的心理參數(shù)，如物體的紋理、粗糙感等。隨著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傳感器得到了發(fā)展。然而，由于心理感覺參數(shù)難以量化，要使機器人具備通過觸摸來識別材料的能力，仍然是巨大的挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、李舟研究員、羅聃研究員等人設(shè)計了一種超越人類觸覺感知的智能手指，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，實現(xiàn)基于摩擦電傳感識別材料的類型和粗糙度。基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)處理最大限度地減少了環(huán)境干擾，將識別準(zhǔn)確率大幅提高至96.8%。當(dāng)智能手指觸摸待測材料時，識別信息可直接投射到OLED屏幕上。這項工作通過摩擦電效應(yīng)量化了觸覺心理參數(shù)，為人類觸覺感知建模的新時代鋪平了道路。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作為研究亮點進行報道。
圖1 相關(guān)論文（來源：Science Advances）
模擬人體觸覺的關(guān)鍵難點
人類觸覺系統(tǒng)可通過物理接觸來響應(yīng)和量化觸覺信息，是人體與外界進行交流的重要方式之一。觸覺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(yīng)，還包括一系列由大腦對信息進行提取和分析的心理參數(shù)，如通過觸覺感知對質(zhì)地和粗糙度的識別。因此，不少科學(xué)家開始致力于研究通過仿生觸覺傳感器，模擬人類觸覺的工作。
然而，由于材料相關(guān)信息參數(shù)難以量化，現(xiàn)有的傳感器的開發(fā)都或多或少地受制于傳感器性能與成本，難以廣泛應(yīng)用于工業(yè)分類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)進行分辨。
摩擦電效應(yīng)讓仿生觸覺識別更加高效準(zhǔn)確
李舟團隊構(gòu)建的基于摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合原理的傳感陣列，可以規(guī)避現(xiàn)有傳感器的固有缺陷，可準(zhǔn)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(dāng)所構(gòu)建的傳感器與特定物體接觸時，會產(chǎn)生特定的摩擦電特性信息，通過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型感知的功能。
新型智能手指的組成
摩擦電觸覺感知智能手指由摩擦電傳感器陣列、數(shù)據(jù)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 摩擦電觸覺感知智能手指結(jié)構(gòu)
智能手指識別不同材料時產(chǎn)生的摩擦電，可根據(jù)電負(fù)性和電正性來進行評價（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系列可作為每個傳感器的摩擦層。
圖3 不同摩擦電的典型材料：電負(fù)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(gòu)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產(chǎn)生不同的特征信號，即當(dāng)傳感器與測試材料接觸并分離時，所產(chǎn)生信號的相對振幅、電壓方向或波形都是有規(guī)律性的。
傳感器采集模塊將這些信號記錄下來，再通過藍牙傳輸?shù)接嬎銠C進行機器學(xué)習(xí)分析，最終識別出的結(jié)果可通過計算機軟件或手指的OLED屏進行實時顯示。
李舟團隊表示，他們開發(fā)的這種智能手指材料識別系統(tǒng)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)了對材料類型和粗糙度的精準(zhǔn)識別與分類，僅使用4個傳感單元，就可對12種常見材料（如丙烯酸，EVA，玻璃，PU，PVC，硅片，木頭等）進行準(zhǔn)確識別，準(zhǔn)確率達96.8%。同時對不同粗糙度的單一材質(zhì)，識別準(zhǔn)確率達96.5%。這為觸覺傳感器實現(xiàn)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(yīng)用前景
就目前而言，相比于以往熱導(dǎo)式、壓導(dǎo)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(zhǔn)確率和響應(yīng)速度等指標(biāo)方面，都有著較為明顯的優(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單、檢測速度快、識別效率高等特點，最大的優(yōu)勢也在于它能夠分辨相似性質(zhì)、相似外觀的材料。比如外觀相似并且都是塑料材質(zhì)的PET，PS，PVC等，該系統(tǒng)也可以有效地進行分辨，并且識別準(zhǔn)確率都能達到95%以上。
圖4 通過摩擦電傳感器陣列識別材料類型和粗糙度
盡管項目執(zhí)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(xí)的模型進行迭代和精確匹配等問題，但李舟團隊還是通過對各種材料進行大量的實驗數(shù)據(jù)測試，來不斷優(yōu)化摩擦電傳感器和整個系統(tǒng)，最終攻克了這些難關(guān)。
未來，這種智能手指的應(yīng)用場景將非常廣泛，有助于進一步優(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(jié)構(gòu)等是否符合制造標(biāo)準(zhǔn)；還能夠幫助提高物料的分揀效率；還能夠應(yīng)用到機器人和智能假肢中，使機器人和醫(yī)療康復(fù)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)境溝通交互的真實感。
來源：科技導(dǎo)報
