機器人觸覺(jué)傳感器不只是皮膚

北卡羅來(lái)納大學(xué)和以色列特拉維夫大學(xué)的科研人員克服了實(shí)現低成本先進(jìn)機器人觸覺(jué)的一大障礙。作者認為，許多關(guān)于觸覺(jué)傳感器的論文中一直潛藏的問(wèn)題在于機器人皮膚本身。

在這項研究中，用于制造皮膚的廉價(jià)硅橡膠復合材料被發(fā)現其上下表面存在一層絕緣層，這阻礙了傳感聚合物與監測表面電極之間的直接電氣接觸，使得準確和可重復的測量幾乎不可能。隨著(zhù)誤差的消除，廉價(jià)的機器人皮膚可以讓機器人模仿人類(lèi)的觸覺(jué)，使它們能夠感知物體的曲線(xiàn)和邊緣，這對于正確抓握物體是必要的。

在發(fā)表在《先進(jìn)電子材料》期刊上的一篇論文中，一個(gè)由電氣工程師和聚合物材料科學(xué)家組成的多學(xué)科研究團隊揭示了這個(gè)問(wèn)題，并提供了驗證電氣接觸的實(shí)用步驟，這些接觸可能無(wú)意中掩蓋了設備性能，根據西北大學(xué)的馬修·格雷森（麥科密克工程學(xué)院電氣與計算機工程教授）的說(shuō)法。

“許多科學(xué)家誤解了他們的傳感器響應，因為他們將接觸的行為與傳感器材料的行為混為一談，導致數據不一致，”格雷森說(shuō)?！敖Y果，如果你沒(méi)有意識到這個(gè)問(wèn)題，你可能會(huì )發(fā)表一些無(wú)人能重復的論文。我們的工作確定了問(wèn)題的確切原因，在微觀(guān)和電氣方面量化了其程度，并提供了一份清晰的逐步故障排除手冊來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

用于典型機器人皮膚的橡膠，稱(chēng)為彈性體，是靈活、輕便且廉價(jià)的，當添加像碳納米管這樣的導電填料時(shí)，所得復合材料成為理想的觸覺(jué)傳感器候選者，其電阻在受壓時(shí)局部變化。但要接收電信號，傳感器需要電接觸，研究人員檢測到這種復合材料中普遍存在的薄絕緣層，該絕緣層會(huì )極大地改變接觸行為。僅通過(guò)打磨超薄的絕緣層，該團隊就能實(shí)現更強的電接觸，并用電學(xué)和顯微鏡方法校準絕緣層的厚度。

"所有有趣的事情都發(fā)生在界面處，"聯(lián)合作者、特拉維夫大學(xué)教授 Noa Lachman 說(shuō)。"這項發(fā)表不僅展示了傳感器界面的重要性，也展示了在兩個(gè)不同學(xué)科：材料科學(xué)和電氣工程之間的交叉領(lǐng)域工作的重要性。材料專(zhuān)家多年來(lái)一直懷疑導電聚合物復合材料中存在這種絕緣外層，但無(wú)法理解其電學(xué)效應。我們每個(gè)人都有一塊拼圖，但只有在一起才能得到完整的畫(huà)面。"

機器人尤其復雜，部分原因是因為它需要許多種類(lèi)的專(zhuān)業(yè)知識。例如，設計機器人功能電子材料的聚合物材料科學(xué)家，與處理傳感器信號的電氣工程師所接受的教育和技能并不相同。格雷森說(shuō)，"接觸準備"的挑戰正是這項研究的討論開(kāi)始的地方。

"這就是為什么我們的與特拉維夫的合作至關(guān)重要——他們知道我們不知道的材料科學(xué)知識，格雷森說(shuō)。我們依賴(lài)他們來(lái)制備我們正在研究的材料，然后我們拿過(guò)來(lái)研究，再反過(guò)來(lái)幫助特拉維夫的材料科學(xué)家更好地表征他們的材料。"

生產(chǎn)新材料——然后復制它們——需要控制許多不同的變量，而這些變量往往很難甚至不可能控制。格雷森在關(guān)于觸覺(jué)傳感的許多文獻中暴露了可重復性問(wèn)題，他挑戰研究界按照論文中描述的質(zhì)量檢查標準來(lái)要求自己達到更高的標準。隨著(zhù)這個(gè)問(wèn)題在研究人員中的認識逐漸普及，新的出版物可以更嚴格地依賴(lài)來(lái)推動(dòng)該領(lǐng)域以新的能力前進(jìn)。

該研究得到了美國國家科學(xué)基金會(huì )（NSF ECCS-1912694, NSF DMR-1720139）的支持，通過(guò) Crown Family Fund 由西北大學(xué)資助，Leslie 和 Mac McQuown 資助，通過(guò)納米科學(xué)與納米技術(shù)中心由特拉維夫大學(xué)資助，以及美國-以色列雙邊科學(xué)基金會(huì )（BSF 資助編號 2018732）。額外的出版支持來(lái)自西北大學(xué)的以色列創(chuàng )新項目和西北大學(xué)電氣與計算機工程系。