香港城市大学研发用于模仿皮肤的超分辨率触觉传感器

香港城市大学生物医学工程系(BME)副教授沉亚静博士是这项研究的共同负责人之一。该发现最近发表在科学杂志《科学机器人》上，标题为“用于具有力自解耦功能的超分辨率触觉传感的软磁性皮肤”。

模仿人的皮肤特征

人体皮肤的主要特征是其感知剪切力的能力，剪切力是指使两个物体在接触时彼此滑动或滑动的力。通过感知剪切力的大小，方向和细微变化，我们的皮肤可以充当反馈，使我们可以调整如何用手和手指稳定地握住物体或握紧物体的程度。

为了模仿人类皮肤的这一重要特征，沉博士和香港大学(HKU)的合作伙伴潘佳博士开发了一种新颖的柔软触觉传感器。该传感器采用类似于人类皮肤的多层结构，并包括一层柔软且经过特殊磁化处理的薄膜，其顶层厚度约为0.5毫米。当外力施加在其上时，它可以检测到由于薄膜变形而产生的磁场变化。更重要的是，它可以将外力自动“解耦”或分解为两个分量-法向力(垂直于物体施加的力)和剪切力，分别提供这两个力的精确测量值。

“解耦外力很重要，因为每个力分量对对象都有自己的影响。并且有必要知道每个力分量的准确值以分析或控制对象的静止或运动状态。”Yan解释说。Youcan，BME的博士研究生，也是该论文的第一作者。

深度学习提高了准确性

此外，该传感器还具有另一个类似于人类皮肤的特征-触觉“超分辨率”，可使其尽可能精确地定位刺激物的位置。沉博士说：“我们已经开发出一种利用深度学习的有效触觉超分辨率算法，并将接触位置的定位精度提高了60倍，这是迄今为止报道的超分辨率方法中最好的一种。” 这种有效的触觉超分辨率算法可以帮助提高具有最少数量的感测单元的触觉传感器阵列的物理分辨率，从而减少布线数量和信号传输所需的时间。

他补充说：“据我们所知，这是第一个同时实现自解耦和超分辨率能力的触觉传感器。”

带有新传感器的机械手完成了艰巨的任务

通过将传感器安装在机器人抓手的指尖，该团队证明了机器人可以完成具有挑战性的任务。例如，机械手会稳定地抓紧易碎的物体(例如鸡蛋)，而外力会试图将其拖走，或者通过远距离操作将针穿进去。沉博士解释说：“我们的传感器的超分辨率可以帮助机械手抓住物体时调整接触位置。并且，机械臂可以根据触觉传感器的力解耦能力来调整力的大小。”

他补充说，传感器可以很容易地扩展为传感器阵列的形式，甚至可以覆盖未来覆盖机器人整个身体的连续电子皮肤。可以通过更改传感器顶层(磁性膜)的磁化方向来调整传感器的灵敏度和测量范围，而无需更改传感器的厚度。这使得电子皮肤在不同部位具有与人体皮肤一样的不同灵敏度和测量范围。

而且，与其他触觉传感器相比，该传感器的制造和校准过程要短得多，从而便于实际应用。

“这种拟议的传感器可能有益于机器人领域的各种应用，例如自适应抓握，灵巧的操纵，纹理识别，智能修复和人机交互。具有皮肤可比性的软人工触觉传感器的进步可以使家用机器人成为现实。成为我们日常生活的一部分。”沉博士总结道。

沉博士和潘博士是本文的通讯作者。香港城市大学的团队成员包括BME的博士生Yan Youcan和Hu Zhe以及机械工程系的助理教授Yang Zhengbao博士。其他合作研究人员来自卡内基梅隆大学和南方科技大学。

该研究由中国国家自然科学基金，香港研究资助局和深圳(中国)重点基础研究项目资助。