雖然視覺在機(jī)器人的感知中占主導(dǎo)地位，但視覺受限的動(dòng)物卻能使用其他感知形式（如觸覺）巧妙地導(dǎo)航環(huán)境，科學(xué)家已經(jīng)努力將具有觸覺感知的人造皮膚應(yīng)用于機(jī)器人，以獲得類似復(fù)雜的移動(dòng)和操作技能。

 

　　一種新的合成材料可以創(chuàng)建一個(gè)類似于生物神經(jīng)系統(tǒng)的相關(guān)感官網(wǎng)絡(luò)，可以使軟機(jī)器人感知它們?nèi)绾闻c環(huán)境相互作用并相應(yīng)地調(diào)整它們的行為。在功能上模仿傳入感覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力，這是全身分布式傳感和通信網(wǎng)絡(luò)所必需的，現(xiàn)在仍然缺乏。這種限制部分是由于機(jī)器人體內(nèi)的機(jī)械傳感器缺乏協(xié)整性。

 

　　在這里，分布在3d打印彈性體框架中的可拉伸光纖的連接創(chuàng)造了一個(gè)協(xié)整體、傳感和通信網(wǎng)絡(luò)。這種軟的、功能性的結(jié)構(gòu)能夠以亞毫米級(jí)的定位精度（誤差為0.71毫米）和亞牛頓級(jí)的力分辨率（約0.3牛頓）定位變形。
 

 

　　“我們希望有一種方法來測(cè)量高度可變形物體的應(yīng)力和應(yīng)變，我們希望使用硬件本身，而不是視覺，”實(shí)驗(yàn)室主任Rob Shepherd說，機(jī)械和航空航天工程副教授和論文的高級(jí)作者。“從生物學(xué)角度考慮這個(gè)問題的一個(gè)好方法。一個(gè)盲人仍然可以感覺到，因?yàn)樗麄兊氖种競(jìng)鞲衅鲿?huì)在手指變形時(shí)變形，機(jī)器人現(xiàn)在沒有這種感覺。”

 

　　Shepherd的實(shí)驗(yàn)室以前創(chuàng)造了使用光纖檢測(cè)這種變形的感官泡沫。對(duì)于光學(xué)花邊項(xiàng)目，Xu使用由3-D印刷聚氨酯制成的柔性多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。她用含有十幾個(gè)機(jī)械傳感器的可拉伸光纖穿過其核心，然后連接LED燈照亮光纖。

 

　　當(dāng)她在各個(gè)點(diǎn)按下晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，傳感器能夠精確定位光子流的變化。

 

　　許多生物系統(tǒng)已經(jīng)適應(yīng)通過發(fā)展纏繞的腦 - 身體關(guān)系在功能上與外部環(huán)境相互作用。這種復(fù)雜的安排允許后者感知世界，前者以閉環(huán)方式解釋它。隨著機(jī)器人在物理上越來越復(fù)雜，認(rèn)知越來越先進(jìn)，我們可以從動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中獲取靈感，為控制機(jī)器人文物創(chuàng)造必要的基礎(chǔ)。

 

　　通過視覺，聽覺，嗅覺，味覺，觸覺，甚至磁場(chǎng)和電場(chǎng)的解釋，動(dòng)物和植物都能感受到外在的感覺。本體感覺，自身身體部位的位置和狀態(tài)的知識(shí)，也是通過這些感覺器官的某些組合來實(shí)現(xiàn)的; 特別是動(dòng)物使用通過皮膚下的機(jī)械感受器感受到的振動(dòng)和力，并通過肌肉和腱。根據(jù)這些信息，他們執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如在失明時(shí)操縱或在受傷時(shí)改變他們的行為。
 

本體感受泡沫圓筒。
圖片來源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

　　目前，自主機(jī)器人主要使用放置在末端執(zhí)行器上的視覺和觸覺檢測(cè)器進(jìn)行外部感知和關(guān)節(jié)處的傳感器以及用于本體感覺的質(zhì)心以完成復(fù)雜的任務(wù)。如在動(dòng)物的神經(jīng)回路中那樣，更分散的傳感器網(wǎng)絡(luò)將允許機(jī)器人以更高的觸覺分辨率相互作用并且測(cè)量隨時(shí)間累積的機(jī)械損傷（即，彎曲或斷裂的肢體）。分布式體積傳感的重要性在軟機(jī)器人領(lǐng)域更為明顯，其中機(jī)器的每個(gè)部分都會(huì)變形。在這些機(jī)器人，分布在整個(gè)身體的伸縮傳感器最近才用于反饋控制。

 

　　“當(dāng)結(jié)構(gòu)變形時(shí)，輸入線和輸出線之間會(huì)有接觸，并且光線會(huì)跳入結(jié)構(gòu)中的這些輸出回路，這樣你就可以知道接觸發(fā)生的位置，”徐說。“這種強(qiáng)度決定了變形本身的強(qiáng)度。”
 

展示了可以準(zhǔn)確檢測(cè)出被按壓位置的外部感受“鋼琴”。
圖片來源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

　　Shepherd說，光學(xué)花邊不會(huì)被用作機(jī)器人的皮膚涂層，但更像是肉體本身。裝有這種材料的機(jī)器人將更適合醫(yī)療保健行業(yè)，特別是壽命終止和臨終關(guān)懷以及制造業(yè)。
 

展示了本體感受泡沫圓筒，可以測(cè)量自身壓縮水平。
圖片來源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

　　雖然光學(xué)花邊的靈敏度不如人類指尖那么敏感，但是人體指尖充滿了神經(jīng)感受器，但是這種材料對(duì)人體的背部更敏感。這種材料也是可以清洗的，這導(dǎo)致了另一種應(yīng)用：Shepherd的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成立了一家初創(chuàng)公司，將Xu的傳感器商業(yè)化，制作出可以測(cè)量人體形狀和運(yùn)動(dòng)的服裝，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練。
 

展示泡沫圓筒上的外部感知，可以檢測(cè)到它被觸摸的位置。
圖片來源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）
 

基于光學(xué)花邊的機(jī)器人在多個(gè)位置感應(yīng)變形的計(jì)算機(jī)模型。
圖片來源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

　　該論文“合成傳入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)花邊”于9月11日在Science Robotics上發(fā)表。