虽（suī）然视觉在机器人（rén）的感知（zhī）中（zhōng）占主导地位，但视觉受限的动物（wù）却能使（shǐ）用其他（tā）感知形式（如触觉）巧妙地导（dǎo）航环（huán）境，科学家已经努力（lì）将具有触觉（jiào）感（gǎn）知（zhī）的人造皮肤应用于机器人，以获得类似（sì）复（fù）杂（zá）的移动（dòng）和操作技（jì）能。

 

一种新（xīn）的合成材料可以创（chuàng）建一个类似（sì）于生物（wù）神经系统的（de）相关感（gǎn）官网络，可以使软机器人感知它们如何（hé）与环境（jìng）相互作用并（bìng）相应（yīng）地调整（zhěng）它们的行为。在（zài）功能上模仿传入（rù）感觉神经网络的能力，这（zhè）是全身（shēn）分（fèn）布式传感（gǎn）和（hé）通信网络所必需（xū）的，现在（zài）仍（réng）然缺乏（fá）。这种限制部分是由于机器（qì）人（rén）体内的机械传感（gǎn）器缺乏协整性。

 

在这里，分（fèn）布在3d打印弹性体框架（jià）中的可拉伸（shēn）光纤的连接创造了一（yī）个协整体、传感和通（tōng）信网络（luò）。这种软的、功能性的结构能够（gòu）以亚毫米级的定位精度（误差为0.71毫米）和（hé）亚牛顿级（jí）的力分辨率（约（yuē）0.3牛顿（dùn））定位变形。
 

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“我们希望有一种方法来测量（liàng）高度可变形物体（tǐ）的（de）应力和应变（biàn），我（wǒ）们希望使用硬件本身，而（ér）不是视觉（jiào），”实验室主任Rob Shepherd说，机（jī）械和航（háng）空航天工程副教授和（hé）论文（wén）的高级作者。“从生（shēng）物学角度考（kǎo）虑这个问题的（de）一个好方法。一个（gè）盲人仍（réng）然可以感觉到，因为他们的手指传（chuán）感器会在手指变（biàn）形时变形，机器人（rén）现在（zài）没有这种感觉（jiào）。”

 

Shepherd的实（shí）验室（shì）以前创造了使用光纤检测（cè）这（zhè）种变形的感（gǎn）官（guān）泡沫。对于光学（xué）花边项目，Xu使用由3-D印刷聚氨（ān）酯制成的柔性多（duō）孔网格（gé）结（jié）构。她用含有十几个机械传感器的可拉伸光纤穿（chuān）过（guò）其核心，然后连接LED灯照亮光（guāng）纤。

 

当（dāng）她在各个（gè）点按下晶格结（jié）构时，传感器能够精确定位光子流的变化。

 

许多生物系统已经适（shì）应通过发展缠绕的脑 - 身体关系（xì）在功能上与（yǔ）外部环（huán）境相互作用。这种复杂的安排允许后者感知（zhī）世界，前者以闭环方式解释它。随着机器人在物理上越来越复杂，认知越来越（yuè）先进（jìn），我们可以从动物神经系（xì）统中获取（qǔ）灵感（gǎn），为（wéi）控制机器人文物创造必要的基（jī）础（chǔ）。

 

通过视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉，甚至磁场（chǎng）和（hé）电场（chǎng）的解释，动物和植（zhí）物都能感受到（dào）外在的感觉。本体（tǐ）感觉，自（zì）身身（shēn）体（tǐ）部位（wèi）的位置和状态（tài）的知识（shí），也（yě）是通过这些感觉器官的某（mǒu）些组合来实现的; 特别（bié）是动物使用通过皮肤下的机械（xiè）感受器（qì）感受到的振动和（hé）力，并通过（guò）肌肉和（hé）腱。根据（jù）这些信息，他们执（zhí）行复杂（zá）的任务，例如在失明时（shí）操纵或在受伤时（shí）改变他们的（de）行为。
 

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本体感受泡沫圆筒（tǒng）。
图片来源（yuán）：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

目前，自主（zhǔ）机器人主要使（shǐ）用（yòng）放置在末（mò）端执（zhí）行器上的视觉和触觉（jiào）检测（cè）器进行外部感知和（hé）关节处的传感（gǎn）器（qì）以（yǐ）及（jí）用于（yú）本体感（gǎn）觉的质心（xīn）以（yǐ）完（wán）成复杂（zá）的任务。如在动物的（de）神经回路中那（nà）样，更（gèng）分散的传（chuán）感器网（wǎng）络将（jiāng）允许机器人以更（gèng）高的触（chù）觉分（fèn）辨率相互作（zuò）用并（bìng）且（qiě）测量随时间（jiān）累积的（de）机（jī）械损伤（即，弯曲或断裂的肢体）。分布式（shì）体积传感的重（chóng）要性（xìng）在软机器人领域更为（wéi）明显，其中（zhōng）机器（qì）的每个部分都会变形（xíng）。在（zài）这（zhè）些机器（qì）人，分布（bù）在整个（gè）身体的伸缩（suō）传感（gǎn）器最近才用（yòng）于反馈控制。

 

“当结（jié）构变形时，输入线和输出线之间会有接触，并且光线会跳入结构中的这些输出（chū）回路，这（zhè）样你就（jiù）可（kě）以知道接触发生的位置，”徐说。“这种强度决（jué）定了变（biàn）形本身的强度。”
 

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展示了可以准（zhǔn）确检测出被按压位置的外（wài）部感受“钢（gāng）琴”。
图片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

Shepherd说，光学（xué）花边不（bú）会被用作机器（qì）人的（de）皮肤（fū）涂层，但更（gèng）像是肉体本身。装（zhuāng）有这（zhè）种材（cái）料（liào）的机器人将更适合医疗保健行业，特（tè）别是寿命终（zhōng）止和临终关怀以及制（zhì）造业。
 

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展（zhǎn）示了本体感受泡沫圆筒（tǒng），可（kě）以（yǐ）测量自身压缩水平（píng）。
图片来（lái）源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

虽然光学花边的（de）灵敏度（dù）不如人类指尖（jiān）那么（me）敏感，但是（shì）人体指尖充满了神（shén）经感受器，但是这种材料对（duì）人体的背部（bù）更敏感。这种材料也是可以清洗的，这（zhè）导致了（le）另（lìng）一种应用：Shepherd的实（shí）验室已经成（chéng）立了（le）一（yī）家初创公司，将Xu的传感器商业（yè）化，制作出可以（yǐ）测（cè）量人体形状和运动的服装，用于增强现（xiàn）实训练。
 

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展示泡沫圆筒上的外部感知（zhī），可以检测到它被触摸的（de）位置。
图片（piàn）来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）
 

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基于（yú）光学花（huā）边的（de）机器（qì）人在多个位置（zhì）感（gǎn）应变（biàn）形的计（jì）算机（jī）模型。
图片来源（yuán）：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

该论文“合成传入（rù）神经网络的光（guāng）学花边”于9月（yuè）11日在Science Robotics上（shàng）发表。