近日，南方科技大学联合西安电子科技大学的研究人员开发了一种能够模拟人类手指触觉的人工感知系统，可以高分辨率识别斜纹、灯芯绒和羊毛等精细纹理。相关研究以“A robotic sensory system with high spatiotemporal resolution for texture recognition”为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。

研究人员表示，该项研究成果将有助于提高机器人和假肢的微小触觉感知能力，而且未来有可能应用于虚拟现实（VR）领域。

赋予机器人比肩真人的触觉

接触是人类感知世界的最直接方式，“触觉”是人体神经系统中的重要组成部分，它在人类之间的情感互动中起着重要作用。皮肤和皮肤下覆盖的神经则是将“感觉”传达给大脑的桥梁。触觉帮助人类分辨物体，最后大脑控制双手，选择拿捏它们的力道。但是对于金属和电路组成的机器人来说，如何才能在它们身上复现人类的“触觉”呢？

曾经，英国布里斯托大学的研究人员给出了解决方案——TacTip（人造指尖），也称“光触觉传感器”。伦敦大学研究“触摸行为”的Mandayam Srinivasan称TacTip为：“自然触摸和人工触摸的近距离接触，这是改进机器人‘触摸方案’的必要步骤。”

TacTip原型机的诞生最早可以追溯到2009年，当时布里斯托大学的研究人员以人类皮肤为灵感，手工组装出了第一个“人造指尖”。但是受制于当时的技术，第一个“人造指尖”并不像真人手指一般纤细，它足足有罐装汽水一般大小。而后随着3D打印技术的飞速发展，终于在2018年，研发团队依托于3D打印技术，将“人造指尖”的体积压缩到了成人大脚趾的大小。

同时得益于3D打印技术能够为“人造指尖”创造类似于人类皮肤的多层结构，研发团队近期已经将“人工神经网络”集成到了“人造指尖”中。至此，“完全体”的TacTip正式落地。

长期以来，工程师们一直试图让机器人像人一样灵巧，配备“人工神经网络”纵然是解决方案之一，但是来自伦敦大学的触摸研究员Mandayam Srinivasan却表示：“目前机器人的触摸结果反馈仍然远远低于人类。”不过TacTip的研发团队似乎找出了更为理想的解决方案，那就是“人类触觉”和“机器反应”的相通点——信号。

而近期，南方科技大学研究人员表示，此次他们研发的系统模仿了人类指纹的特征，创建了一种灵活的滑动传感器。这一应用使得系统能够在传感器触摸或滑动表面时，识别表面纹理上的小特征。通过将这种传感器集成到假肢中，并配合机器学习技术，研究人员成功地捕获了微妙的触觉信号，并准确地识别出了20种不同的纺织品，包括亚麻、尼龙、聚酯纤维和泡泡纱，准确度高达100%。

人工感觉系统是如何运作的？

在人体生物感觉系统中，皮肤通过慢速自适应（SA）和快速自适应（FA）机械感受器感知外界时产生不导电的电位变化，信号通过神经系统传输到大脑进行进一步分析和判断。研究人员表示，该人工感觉系统模仿了人类感觉系统的功能，仅使用一个传感器就实现了SA和FA受体的两种功能——传感器在物理交互过程中既可以响应静压，也可以响应高频振动与纹理或其他物体。具有时空信息的信号进一步通过电路收集和传输，并使用机器学习进行分析，并在可视化用户界面中输出识别结果。

这款滑动传感器是由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的人工指纹，以及聚乙烯醇（PVA）-磷酸（H 3 PO 4 ，8.3 wt.%）离子凝胶层、两个柔性电极组成聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）上的金薄膜和用于封装的平面PDMS薄膜人工指纹由一组同心椭圆形结构组成，其具有高度为260μm的三角形脊，结构间距为350μm。人造指纹的尺寸和弹性模量都接近人类指纹的尺寸，以有效捕获触觉期间的振动刺激。

传感器顶部的PDMS指纹模仿人类指纹来捕捉交互过程中的振动刺激，而指纹尖端的尺寸决定了传感器的空间分辨率。如果没有指纹，传感器虽然高度敏感，但可能无法有效地与表面纹理交互。高空间分辨率使传感器能够检测微小的表面特征，包括纺织品的微米级纤维（直径数十微米）。此外，滑动传感器的空间分辨率优于人类指尖的空间分辨率。

在区分非结构化表面时，人类指尖的准确度较差（平均准确度为 24.3%，所有情况下准确度≤44%），且Kappa系数较小（0.12，表明与不可靠数据的一致性最低 45 ），特征尺寸为 10、15、20、30、40 和 50μm的表面纹理。通过对比实验结果表明，人类无法解析小于 50μm 的结构。

机器人触觉技术的未来方向

机器人不应该只是指令的载体，它更应该拥有和人脑比肩的智能，具备学习能力，懂得问题分析并可以执行精密的操作。“人造指尖”、辅助穿衣和剥香蕉这三项技术的成功恰好对应了上述的三个条件，并且从侧面也反应了人工智能技术的推进。对行业来说，今后机器人的训练方式，很可能会从原来“机械式地模仿”，变成通过传感器加持下的“主动学习”，一旦发生这样的改变，那机器人学习人类的进程将会大大加快。

据最新报道，机器人技术中的触觉领域正成为备受瞩目的市场，被誉为价值800亿元的大蛋糕。随着机器人应用领域的不断拓展和进步，对于机器人的触觉能力的需求也与日俱增。机器人的触觉技术是指使机器具备感知、接触和理解外界环境的能力，如同人类的触觉一样。

目前，该领域的应用主要涵盖工业生产、医疗卫生和服务机器人等多个领域。例如，在工业生产中，机器人的触觉能力可以用于装配和质检等环节，提高工作效率和产品质量。据业内专家介绍，目前，机器人的触觉技术仍处于不断发展和创新的阶段。研究人员正在努力开发更先进的传感器和算法，以提高机器人的感知能力和响应速度，这将为机器人行业带来更多商机和发展前景。同时，国内外的企业和科研机构也纷纷加大了在机器人触觉领域的研发投入。

不少中国企业已经发布了具有自主研发触觉技术的机器人产品，并在市场上获得了良好的反响。这些企业正积极布局机器人产业，为触觉技术的应用提供更多推动力，可以预见随着机器人技术的不断进步和应用范围的扩大，机器人的触觉技术将成为未来一个非常重要的发展方向。

这个价值800亿元的大蛋糕正吸引着越来越多的企业和投资者关注和参与。对于中国而言，抓住机器人产业的发展机遇，加强自主创新，推动机器人触觉技术的突破和应用，将有助于提升国内机器人产业的核心竞争力，实现产业升级和经济发展的新动力。

文章来源： 机器人大讲堂，智东西，凡尘评车