開發(fā)有類似人體感知能力的自主機(jī)器人系統(tǒng)，對于公共衛(wèi)生、安全監(jiān)測和環(huán)境、農(nóng)業(yè)保護(hù)等方面有著重要意義。

利用該類機(jī)器人系統(tǒng)的觸覺感知功能，可極大防止人類在極端和危險(xiǎn)環(huán)境中工作時(shí)暴露于危險(xiǎn)之中。

近日，科研人員研發(fā)了一種由 AI 驅(qū)動(dòng)、基于軟電子皮膚的人機(jī)界面。該系統(tǒng)具有全打印、可大規(guī)模生產(chǎn)特點(diǎn)，并能夠進(jìn)一步推廣應(yīng)用于其他遙感平臺(tái)。

6 月 1 日，相關(guān)論文以《用于機(jī)器人理化傳感的全打印柔性人機(jī)界面》（All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing）為題發(fā)表在 Science Robotics 上 [1]。

（來源：Science Robotics）

上?？萍即髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院常任軌助理教授、智能醫(yī)療分析與柔性生物電子實(shí)驗(yàn)室主任于游擔(dān)任第一作者，通訊作者為加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系助理教授高偉。

據(jù)了解，該人機(jī)傳感系統(tǒng)名為 M-Bot，其工作的方式是先采集人體的表面肌電信號(hào)，再使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對信號(hào)進(jìn)行解碼，最后達(dá)到遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的目的。同時(shí)，機(jī)器手的電子皮膚可以執(zhí)行接近感應(yīng)及觸覺和溫度的感知映射，并在化學(xué)傳感器的輔助下對溶液相和干相毒害化合物進(jìn)行水凝膠輔助的現(xiàn)場采樣和實(shí)時(shí)分析。

目前，有許多有毒化合物需要嚴(yán)格監(jiān)管，比如農(nóng)藥、爆炸物或化學(xué)神經(jīng)毒劑，其會(huì)引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病、不孕癥等，甚至導(dǎo)致人的死亡。此問題解決的緊迫性進(jìn)一步促使了可控人機(jī)交互機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)。

之前的機(jī)器人傳感技術(shù)主要集中在監(jiān)測壓力、溫度等物理參數(shù)，但是能對殺蟲劑、神經(jīng)毒劑和傳染病病原體等物質(zhì)檢測的化學(xué)傳感器發(fā)展還不成熟。

本次研究人員開發(fā)的人機(jī)界面系統(tǒng)展示出在電子皮膚在物理和化學(xué)傳感方面的廣泛應(yīng)用。

圖 | M-Bot（來源：Science Robotics）

M-Bot 可以在危險(xiǎn)性環(huán)境中進(jìn)行原位威脅復(fù)合檢測，比如有效地跟蹤微量有害化合物，當(dāng)通過智能決策算法檢測到污染時(shí)，可為人們提供交互式觸覺警報(bào)反饋。

當(dāng)前新冠疫情仍在世界各地大流行，該工具也可擴(kuò)展到對 SARS-CoV-2 等致病性病菌監(jiān)測上，避免直接與患者接觸，從而在抗擊傳染病方面發(fā)揮作用。

機(jī)器人要想得到有效部署，必須能夠與環(huán)境進(jìn)行交互。電子皮膚由于高靈活性和適應(yīng)性，被認(rèn)為是電子產(chǎn)品與人/機(jī)器人身體之間的理想接口。

不過，當(dāng)前，基于電子皮膚的多功能機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)仍存在一定局限性和難點(diǎn)。

大多數(shù)危險(xiǎn)化合物的快速檢測方法需要手動(dòng)樣品制備步驟，將化學(xué)傳感器集成到基于電子皮膚的機(jī)器人系統(tǒng)上較為困難，這阻礙了機(jī)器人與人交互和“感受”外部世界的能力。

機(jī)器人機(jī)械手在極端環(huán)境中需要觸覺、化學(xué)和溫度等反饋來處理任意物體，以進(jìn)行準(zhǔn)確的物理化學(xué)分析。

而于游等研究者打造的傳感機(jī)器人系統(tǒng) M-Bot 能夠可靠地提取人體生理特征，并準(zhǔn)確控制和接收實(shí)時(shí)用戶交互反饋。

值得注意的是，如今的電子皮膚界面還需要面對的一個(gè)問題是，還較缺乏可擴(kuò)展的低成本制造薄型、超靈活、多功能的機(jī)器人物理化學(xué)傳感器貼片方法。

M-Bot 由兩個(gè)可拉伸輕薄電子皮膚貼片組成，即 E-skin-R（與機(jī)器人皮膚接口）和 E-skin-H（與人體皮膚接口），并具有強(qiáng)大的理化傳感能力，能大規(guī)模生產(chǎn)且可重構(gòu)。

它可通過高速、低成本和可擴(kuò)展的噴墨打印技術(shù)以及一系列定制開發(fā)的納米材料墨水進(jìn)行快速低價(jià)制備。

圖 | E-skin-R 上全噴墨打印的多模態(tài)傳感器陣列（來源：Science Robotics）

定制開發(fā)的功能納米材料油墨經(jīng)過設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可針對特定危險(xiǎn)目標(biāo)分析物實(shí)現(xiàn)高靈敏度和選擇性傳感器。水凝膠涂層的印刷納米生物傳感器，允許在機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行有效的干相化學(xué)采樣和快速現(xiàn)場危害分析。

M-Bot 的威脅感知能力可以為自動(dòng)化化學(xué)傳感鋪平道路，并為各種實(shí)用的機(jī)器人輔助應(yīng)用提供機(jī)器介導(dǎo)的決策。

實(shí)現(xiàn)高速、無線和同步多通道物理化學(xué)傳感的全系統(tǒng)集成是未來現(xiàn)場部署和評估的關(guān)鍵需求。M-Bot 所代表的人機(jī)交互機(jī)器人傳感技術(shù)，為開發(fā)先進(jìn)柔軟電子皮膚提供了一種從人體和周圍環(huán)境中收集重要數(shù)據(jù)的有效方法。

最后，于游表示，通過集成高密度和新型多模態(tài)傳感器，該技術(shù)還能較方便地重新配置實(shí)施到眾多可穿戴設(shè)備和機(jī)器人應(yīng)用中，并在未來智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，比如大大提高其環(huán)境感知能力。

圖 | 于游（來源：于游個(gè)人主頁）

據(jù)了解，于游在 2017 年從中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所博士畢業(yè)后，前往美國加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系從事博士后研究，并于近期回國加入上?？萍即髮W(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，主要致力于柔性生物電子和醫(yī)療機(jī)器人的相關(guān)研究。

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參考：

1、Y.Yu,J.Li,S.Solomon,et al.All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing.Science Robotics7（2022）.

DOI: 10.1126/scirobotics.abn0495