????????警用裝備網(wǎng)訊：?指尖輕輕觸碰，便能感知蘋果的爽脆、面包的松軟、絲綢的細(xì)膩，這得益于人類皮膚歷經(jīng)數(shù)百萬年進(jìn)化形成的精妙結(jié)構(gòu)。

　　研究發(fā)現(xiàn)，人類指尖每平方厘米分布著約240個(gè)觸覺感受器。它們能夠同時(shí)捕捉壓力、紋理、軟硬等多維信息，并瞬間傳遞給大腦，從而形成精準(zhǔn)的“觸覺畫像”。倘若能為機(jī)器人賦予這樣的“指尖觸覺”，甚至使其具備更敏銳的感知能力，那么世界將充滿無限可能。

　　一項(xiàng)來自香港科技大學(xué)（廣州）（以下簡稱港科大〈廣州〉）的研究正逐步將這份“指尖智慧”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。該校副教授訾云龍團(tuán)隊(duì)與合作者成功研制出亞毫米級(jí)分辨率的雙模態(tài)觸覺傳感器陣列，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面軟硬度分布的精細(xì)觸覺感知，讓機(jī)器人系統(tǒng)獲得了接近人類指尖皮膚的感知與辨析能力。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》。

　　亞毫米級(jí)分辨率的雙模態(tài)觸覺傳感器陣列。彭博/攝

　　為機(jī)器人賦予“智能指尖”

　　“人類依靠五感認(rèn)知世界，機(jī)器要邁向真正的智能，也需要模擬這些感官?！闭撐耐ㄓ嵶髡喏ぴ讫埍硎?，“目前，仿生視覺和聽覺技術(shù)已相當(dāng)成熟，但觸覺的精細(xì)復(fù)現(xiàn)仍是亟待突破的‘深水區(qū)’?！?/span>

　　據(jù)介紹，現(xiàn)有的觸覺傳感器長期面臨著一個(gè)困境：高分辨率與多模態(tài)感知難以兼得。高分辨率傳感器往往只能測(cè)量單一信息，如壓力；而多模態(tài)傳感器又因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致尺寸偏大、精度受限。此外，基于壓電、摩擦電等自供電機(jī)理的傳感器，信號(hào)串?dāng)_問題嚴(yán)重，阻礙了信息的精準(zhǔn)解碼。

　　訾云龍團(tuán)隊(duì)決心突破上述困境。他們選擇從“軟硬度”這一關(guān)鍵物理屬性切入，為機(jī)器人增添辨別真?zhèn)?、判斷品質(zhì)的感知維度。團(tuán)隊(duì)從昆蟲觸覺感受器的結(jié)構(gòu)中獲得靈感，提出了雙模態(tài)智能觸覺傳感器。

　　“該傳感器基于摩擦電效應(yīng)，在自供能條件下可同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料種類識(shí)別、材料柔軟度識(shí)別及量化彈性模量?！闭撐墓餐谝蛔髡?、港科大（廣州）博士生何少帥表示，其設(shè)計(jì)為半球頂結(jié)構(gòu)，利用與不同柔軟度物體接觸面積不同所產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅度差異，結(jié)合力學(xué)赫茲接觸理論，可實(shí)現(xiàn)材料柔軟度識(shí)別和量化彈性模量。

　　何少帥介紹，此前的研究雖實(shí)現(xiàn)了材料種類識(shí)別率99.4%、材料軟硬度識(shí)別率100%的準(zhǔn)確率，并制作出單個(gè)觸感器在5毫米級(jí)的陣列集成，但要賦予機(jī)器人真正靈巧的“智能指尖”，必須在傳感器的微型化與集成度上繼續(xù)取得突破。

　　觸感器尺寸從5毫米縮至0.35毫米

　　指紋間距約在一毫米以內(nèi)，觸感器要做到這個(gè)尺度，才能感知如指紋般精細(xì)的紋理。這意味著研究需邁向亞毫米級(jí)的陣列集成。

　　“在港科大（廣州），我們不僅要以科學(xué)家的思維發(fā)現(xiàn)問題、提供解決方案，更要以工程師的思維交付‘實(shí)際可用的樣品’，讓科研與工程貫通，走向真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。”訾云龍說。

　　不過尺寸每縮小一步，工藝難度便呈指數(shù)級(jí)增長。傳感器陣列需做到“平面與曲面的精密結(jié)合”，要將上百個(gè)微米級(jí)的“小手指”（傳感單元）排列整齊，每個(gè)單元獨(dú)立連接壓電與摩擦電兩層信號(hào)線，總計(jì)兩百余根導(dǎo)線不能互相串?dāng)_，這如同在一個(gè)極小面積內(nèi)進(jìn)行超精密的“布線手術(shù)”。

　　材料選擇與工藝調(diào)試更是困難重重。僅為了找到適合制造微柱陣列基底的材料，訾云龍團(tuán)隊(duì)就迭代了十幾種配方，從熱固化到光固化，經(jīng)歷了上百次失敗。

　　訾云龍認(rèn)為，導(dǎo)師要幫助學(xué)生判斷難點(diǎn)是“可攻克的技術(shù)挑戰(zhàn)”還是“必須繞行的理論死胡同”，培養(yǎng)學(xué)生的風(fēng)險(xiǎn)判斷與科研管理能力。

　　訾云龍團(tuán)隊(duì)師生雖大多為材料學(xué)背景，但通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)與協(xié)作，補(bǔ)全了微電子等相關(guān)知識(shí)，并與人工智能、智能制造等學(xué)域的師生緊密合作，不斷優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)，逐步實(shí)現(xiàn)了從宏觀器件到微米級(jí)器件的跨越。

　　最終，訾云龍團(tuán)隊(duì)通過將皮秒紫外激光精密加工與高精度3D打印等尖端制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新融合，攻克了相應(yīng)的工藝集成難題，成功實(shí)現(xiàn)了觸感器單元的微型化，將單個(gè)觸感器尺寸從5毫米縮小至0.35毫米，完成了亞毫米級(jí)分辨率雙模態(tài)智能觸覺傳感器的關(guān)鍵跨越。

　　潛在的應(yīng)用場(chǎng)景

　　性能的穩(wěn)定與提升，為技術(shù)轉(zhuǎn)化鋪平了道路。最直接的應(yīng)用是高安全性產(chǎn)品的溯源與防偽?！拔覀兛梢栽诋a(chǎn)品表面，用肉眼乃至光學(xué)設(shè)備都無法識(shí)別的微小軟硬度差異，制作一個(gè)獨(dú)特的‘物理指紋’?！宾ぴ讫埫枋龅?，“專用設(shè)備或機(jī)器人一摸，便能讀取信息，實(shí)現(xiàn)極難仿造的真?zhèn)悟?yàn)證?！?/span>

　　在智能家居與工業(yè)分揀領(lǐng)域，機(jī)器人將真正實(shí)現(xiàn)“擇優(yōu)而取”——從一堆水果中精準(zhǔn)挑出成熟度最佳的一顆，或在一批外觀相同的物品中識(shí)別并抓取特定目標(biāo)。

　　如果將該技術(shù)集成于內(nèi)窺鏡等醫(yī)療器械，通過感知身體內(nèi)部組織硬度的細(xì)微差異，就可為腫瘤等疾病的早期診斷提供觸覺線索，輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的診療。

　　對(duì)于應(yīng)用前景，團(tuán)隊(duì)秉持著開放而務(wù)實(shí)的態(tài)度：“有的方向非常契合，有的則是技術(shù)原理的有趣延伸。這也恰恰說明，精細(xì)觸覺感知蘊(yùn)藏著無限可能?！?/span>

　　訾云龍透露，下一步，基礎(chǔ)研究將繼續(xù)向感知滑動(dòng)、三維力等更復(fù)雜的觸覺維度深化；技術(shù)轉(zhuǎn)化則會(huì)秉持開放心態(tài)，積極尋求與產(chǎn)業(yè)界的合作契機(jī)?！艾F(xiàn)在正是帶著我們‘能做什么’的明確答案，與市場(chǎng)進(jìn)行對(duì)話的好時(shí)機(jī)?！?/span>

　　“在不遠(yuǎn)的將來，擁有一雙‘人類般靈巧雙手’的機(jī)器人，或許將從愿景逐步走入現(xiàn)實(shí)?！宾ぴ讫堈f。

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