機(jī)器人皮膚再獲進(jìn)展，鮑哲南團(tuán)隊(duì)研發(fā)“電子手套”讓機(jī)器獲得觸覺
如果我們對于機(jī)器人的終極目標(biāo)是希望它就像人類一樣耳聰目明又靈活的話，感官是不可缺少的關(guān)鍵，通過攝像頭賦予機(jī)器視覺、利用傳感器建立聽覺之外，現(xiàn)在世界許多科學(xué)家正在努力建立機(jī)器人的觸覺，像是重量級科學(xué)家、斯坦福大學(xué)教授鮑哲南，在柔性電子、電子皮膚領(lǐng)域開創(chuàng)出許多新技術(shù)，最新的進(jìn)展是她及研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種電子手套，可以為機(jī)器人的手增加靈巧性，例如當(dāng)機(jī)器人的手觸摸到莓果時會自動停下來，庫卡機(jī)器人何服電機(jī)維修，或是當(dāng)機(jī)器人手施力拿取、移動乒乓球時保持適當(dāng)?shù)牧Φ蓝粫䦟⑵鋲罕猓寵C(jī)器人的觸覺往更近似人類的方向前進(jìn)，該研究論文已發(fā)表在ScienceRobotics上。
圖丨鮑哲南（來源：斯坦福大學(xué)）
其他還有像是休斯頓大學(xué)（UniversityofHouston）機(jī)械工程系助理教授余存江，也是《麻省理工科技評論》中國區(qū)35歲以下科技創(chuàng)新35人的獲選者，他與團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可拉伸全橡膠電子器件材料能應(yīng)用在人造皮膚材料上，將其包裹或穿戴在機(jī)器人手上，機(jī)器人變得有觸覺，可以感知杯子的水是冰或熱。
另外，英國蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)（UniversityofGlasgow）的研究人員在去年3月設(shè)計(jì)出一種基于石墨烯的軟性電容式觸控傳感器，兼具觸控及壓力感測功能，觸覺感應(yīng)層可堆疊在剛性或軟性的太陽能（PV）電池上，在操作時自動供電。
約翰霍普金斯大學(xué)（JohnsHopkinsUniversity）的研究團(tuán)隊(duì)在今年8月利用嵌入導(dǎo)體的織物和橡膠制作可任意伸縮的電子皮膚，將其套上義肢，外部受到壓力時，皮膚就會向截肢處的現(xiàn)有神經(jīng)發(fā)送電脈沖，再而傳達(dá)到大腦，形成觸覺。
早在1970年代科學(xué)家就著手研究電子皮膚，現(xiàn)在全球投入該領(lǐng)域的科研單位也很多，為什么這是個重要的議題，因?yàn)榭蓱?yīng)用的領(lǐng)域很廣，包括醫(yī)療健康領(lǐng)域的假肢、復(fù)健機(jī)器人、外骨骼機(jī)器人、消費(fèi)電子的穿戴式裝置、工業(yè)機(jī)器人與人類協(xié)同工作時的安全防護(hù)、特殊領(lǐng)域的機(jī)器人等，還有更多現(xiàn)在不存在的科幻應(yīng)用都可能實(shí)現(xiàn)，市場商機(jī)潛力龐大。
鮑哲南及團(tuán)隊(duì)最新研究
最近，斯坦福大學(xué)華裔化學(xué)家鮑哲南教授和她的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個具有觸覺傳感器的手套，機(jī)械手臂在帶上手套后能夠具備部分和人類皮膚類似的觸覺能力。
我們知道，人類的表層皮膚充滿了感受器，可以感受到壓力，熱量和其他刺激。在皮膚感受外界壓力時，皮膚中的棘層起到了重要的作用。棘細(xì)胞表面有許多棘狀突起，當(dāng)外界有壓力傳來時，外層皮膚層在壓力作用下率先接觸到突起的頂端，觸覺由此產(chǎn)生；當(dāng)壓力增大時，外層皮膚層會繼續(xù)接觸到這些突起的底部。在這樣的機(jī)制下，我們能夠自然的感受到外界對皮膚的壓力同時判斷壓力的大小。
與此同時，外界壓力作用下，對棘層突起產(chǎn)生不同方向的刺激也能讓皮膚感受到外力的方向。比如我們用兩只手指夾起一個物體，我們能清楚的感受到一個向下的力。
（圖片來源：ScienceRobotics）
為了做到讓電子手套實(shí)現(xiàn)部分與人手類似的感受能力，該團(tuán)隊(duì)在電子手套在設(shè)計(jì)上也參照了人手的工作原理。
在電子手套上，每一處傳感器都有三個柔性層組成。其中頂層和底層是具有電活性的，研究人員在兩個表面上鋪設(shè)互相垂直的電線形成電線網(wǎng)格，以形成一個個小而密集的感受陣列。同時，他們還將底層柔性層設(shè)置成像皮膚棘層一樣的不平整的形態(tài)。
而位于中間層的絕緣層則將上下兩層的帶電層分開。這一層也至關(guān)重要，上下兩層帶電層在保持靠近、但未接觸的情況下可以對電能進(jìn)行儲存。因此當(dāng)有壓力作用到手套上時，頂層和底層在壓力的作用下，互相的距離會被縮短，此時儲存的電能就會增加，以此感受到壓力。同時與皮膚棘層一樣，不平整的底層則會將壓力的強(qiáng)度和具體方向反映到網(wǎng)格上，以此達(dá)到像人類的皮膚一樣能夠感受到壓力的強(qiáng)度和方向。
在該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)中，機(jī)械手在戴上電子手套后，輕輕觸摸一枚莓果并立即收手，莓果在被觸碰之后依然保持完好無損的狀態(tài)。在另一個試驗(yàn)中，機(jī)器手還能在感受到手表面的切向力，同時作出應(yīng)對，實(shí)現(xiàn)了用機(jī)器手抓住一個乒乓球，在保證其不掉落和不會被捏碎的前提下將乒乓球進(jìn)行上下和左右移動。
鮑哲南表示，目前，它已經(jīng)能夠夠執(zhí)行一些重復(fù)性的任務(wù)，比如重復(fù)地在傳送帶拿起雞蛋再放入旁邊的箱子中。但她并未滿足于此，她表示其最終的目標(biāo)是在目前的基礎(chǔ)之上繼續(xù)升級，最終實(shí)現(xiàn)讓手臂能在未經(jīng)過預(yù)先設(shè)定程序的情況下，也能自動用適當(dāng)?shù)牧Χ葘⑽矬w拿起。同時，目前在手套上實(shí)現(xiàn)功能也會在未來完全嵌入到機(jī)械手臂中。
對于這項(xiàng)技術(shù)的未來設(shè)想，鮑哲南表示這項(xiàng)技術(shù)還能運(yùn)用到機(jī)器人輔助手術(shù)中，她認(rèn)為在手術(shù)場景下，對觸覺的精準(zhǔn)控制是非常重要的。
（來源：斯坦福官網(wǎng)）
安全皮膚落地工業(yè)環(huán)境，為工業(yè)機(jī)器手臂點(diǎn)穴
電子皮膚是將來電子工業(yè)發(fā)展的方向和趨勢，機(jī)器人維修，學(xué)術(shù)界的研究也實(shí)現(xiàn)了進(jìn)展，但不可諱言，一些創(chuàng)新想法及技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)往往是技術(shù)太困難，生產(chǎn)良率低，尚未進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)，否則就是盡管能夠量產(chǎn)，但產(chǎn)品成本太昂貴。因此，想要實(shí)現(xiàn)在民用級產(chǎn)品中、商業(yè)化應(yīng)用可能還需要時間，如果是醫(yī)療領(lǐng)域，還需要取得醫(yī)療監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，時間可能會更久。
不過，目前電子皮膚在工業(yè)場景中倒是已有小量的落地應(yīng)用，那就是為工業(yè)機(jī)器人打造的安全皮膚。例如，從工研院獨(dú)立出來的初創(chuàng)公司原見精機(jī)，專門鎖定工業(yè)機(jī)器人皮膚，通過自研的表面?zhèn)鞲衅髯屚庥^看似塑膠的材質(zhì)具備觸覺。
原見精機(jī)總經(jīng)理盧元立接受DT君采訪時表示，過去在工廠、汽車生產(chǎn)間環(huán)境的機(jī)器手臂負(fù)載（payload）高、加上追求高耐用度，所以體積都很龐大，過去都是設(shè)置圍欄阻隔的方式來避免危險(xiǎn)發(fā)生。但許多工廠環(huán)境、小流水線的流程是人類與機(jī)器合作生產(chǎn)產(chǎn)品，因此近年興起的一項(xiàng)趨勢是協(xié)同機(jī)器人，來提高人機(jī)協(xié)作的安全性。
另一個安全防護(hù)方式就是安全皮膚，將其包覆在機(jī)器手臂上使用，讓機(jī)器有觸覺，當(dāng)機(jī)器碰觸到人或物體，KUKA機(jī)器人維修，機(jī)器手臂就會立刻停下，就像被點(diǎn)穴一樣，人一碰就停住。目前歐洲、日本的工業(yè)機(jī)器人大廠包括川崎重工、abb、Epson等也有意采用安全皮膚。
圖｜藍(lán)色表皮為用于工業(yè)機(jī)器手臂的安全皮膚（資料來源：原見精機(jī)官網(wǎng)）
他進(jìn)一步指出，在研發(fā)安全皮膚必須兼顧物理和電子特性，化學(xué)材料必須均勻批覆，材料配方跟比例則是各家的機(jī)密，還要跟多個傳感器如力度傳感器、溫度傳感器等、電路設(shè)計(jì)整合。第一個困難點(diǎn)是觸覺傳感器必須足夠敏感，人的指尖觸覺最小感測大小約8毫米，機(jī)器人的觸覺傳感器若超過8毫米就感覺不到，無法達(dá)到效果，那就是缺陷，因此如何讓機(jī)器人的觸覺等同人手、甚至比人手還精密就考驗(yàn)各家廠商的技術(shù)，原見精機(jī)的方案可做到5毫米。