清華大學(xué)采用類皮膚的多層結(jié)構(gòu)研發(fā)觸覺傳感器

近日，清華大學(xué)精密儀器系朱榮教授研究組在《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)發(fā)表研究論文，報(bào)道了一種多功能感知的觸覺傳感器，采用類皮膚的多層結(jié)構(gòu)，將多模感知原位集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸感、物感、溫感等多種感知的高密度集成，將觸覺傳感器應(yīng)用于機(jī)器手抓握感知，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抓握物品的形狀、大小和材料等多屬性識(shí)別，并成功應(yīng)用于垃圾分類。

具有高靈敏和多維集成的柔性感知電子器件在醫(yī)療健康、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。柔性電子感知，具有對(duì)周圍環(huán)境和作用的感知能力，還能針對(duì)不同生理參數(shù)做出反應(yīng)，可用于智能假肢和穿戴式生理監(jiān)測(cè)，為醫(yī)療健康帶來(lái)革命性的變化和進(jìn)步;柔性感知也是智能機(jī)器人交互的關(guān)鍵，在仿生機(jī)器人非視覺傳感技術(shù)領(lǐng)域有著十分重要的作用，感知和交互技術(shù)是未來(lái)機(jī)器人的重要發(fā)展方向?？v觀現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外柔性感知傳感器和系統(tǒng)，在高靈敏測(cè)量、多感知集成、低交叉耦合、低成本加工上仍然存在技術(shù)瓶頸，實(shí)際應(yīng)用面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上問題，清華大學(xué)朱榮教授研究組提出一種基于熱感應(yīng)的多維傳感新機(jī)理，利用熱敏膜和外界的傳導(dǎo)/對(duì)流換熱對(duì)自身電阻的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了壓力、溫度、流場(chǎng)、熱物性等參數(shù)的集成測(cè)量，由于采用簡(jiǎn)單的薄膜敏感結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的熱敏檢測(cè)原理，多維感知柔性電子器件具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、集成度高、低交叉耦合、易調(diào)控、成本低等特點(diǎn)。研究成果以封面文章發(fā)表在Advanced Materials, 2017, 29(15), 1606151，并獲得Transducers 2019國(guó)際會(huì)議的Outstanding Paper Award。研究團(tuán)隊(duì)將技術(shù)推廣應(yīng)用到健康監(jiān)測(cè)和智能機(jī)器人，先后研制出新型穿戴式人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝備和機(jī)器人觸覺感知系統(tǒng)。

穿戴式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)是外骨骼機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等領(lǐng)域不可或缺的人機(jī)交互手段。隨著信息、傳感、驅(qū)動(dòng)和材料技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人作為助力助殘?jiān)O(shè)備在工業(yè)、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域逐漸展示出實(shí)用價(jià)值。目前，柔順化、輕量化正成為外骨骼研究的新方向。朱榮教授研究組將多感知技術(shù)應(yīng)用到穿戴機(jī)器人，研制出新型的可穿戴人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用自主原創(chuàng)的微型運(yùn)動(dòng)速度傳感器結(jié)合微型慣性測(cè)量單元，發(fā)展新型的無(wú)積分?jǐn)?shù)據(jù)融合算法，實(shí)現(xiàn)魯棒性好、抗干擾強(qiáng)、長(zhǎng)期無(wú)漂移的三維運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度和肢體姿態(tài)的測(cè)量。研究組將可穿戴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)應(yīng)用于人體肢體動(dòng)作捕捉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高動(dòng)態(tài)拳擊、踢腿、長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)等的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)為人機(jī)協(xié)同領(lǐng)域提供了可行的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，將促進(jìn)外骨骼機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人等智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)感知技術(shù)發(fā)展。相關(guān)研究成果以題為《可穿戴肢體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)》“A wearable motion capture device able to detect dynamic motion of human limbs”，發(fā)表在Nature Communications, 2020, 11, 5615，論文第一作者為清華大學(xué)精密儀器系博士后柳世強(qiáng)，通訊作者為清華大學(xué)朱榮教授。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)強(qiáng)研究院項(xiàng)目的資助。

此外，面向智能機(jī)器人對(duì)觸覺感知的應(yīng)用需求。近日，研究組再次取得技術(shù)突破，研發(fā)出多維觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)觸感、物感、溫感等多種感知的原位集成，并將觸覺傳感器應(yīng)用于機(jī)器人手感知系統(tǒng)，利用深度學(xué)習(xí)方法將感知轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人對(duì)物品的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抓握物品形狀、大小、溫度和材質(zhì)等多屬性的高精準(zhǔn)識(shí)別。不同于常規(guī)觸摸識(shí)別技術(shù)僅利用壓力感知，研究組將力感和熱物性等多模信息進(jìn)行融合，使得物品識(shí)別的準(zhǔn)確率大大提高，從基于單模壓力感知的69%識(shí)別率提高到基于多模感知的96%識(shí)別率，研究組還進(jìn)一步展示了利用具有多維觸覺感知的機(jī)器手進(jìn)行垃圾分類的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)七類垃圾物品的高準(zhǔn)確識(shí)別。研究成果以題為《多維觸覺傳感器助力機(jī)器手物體識(shí)別》“Skin-inspired quadruple tactile sensors integrated on a robot hand enable object recognition”，發(fā)表在Science Robotics, 5, eabc8134 (2020)，論文第一作者為清華大學(xué)精密儀器系博士研究生李國(guó)朕，通訊作者為清華大學(xué)朱榮教授。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。