靈活的皮膚可以幫助機器人 假肢通過感應剪切力來執行日常任務

如果發送機器人來禁用路邊炸彈 - 或者在烹飪煎蛋卷的同時精心處理雞蛋 - 它需要能夠感知物體何時滑出其抓握。

然而迄今為止，大多數機器人和假肢手難以或不可能準確地感測出發生的振動和剪切力，例如，當手指沿著桌面滑動或者當物體開始下落時。

現在，華盛頓大學和加州大學洛杉磯分校的工程師開發了一種靈活的傳感器“皮膚”，可以在機器人身體或假肢的任何部位伸展，以準確傳達有關剪切力和振動的信息，這些信息對于成功抓取和操縱物體至關重要。

在傳感器和執行器A：Physical中發表的一篇論文中描述了生物啟發的機器人傳感器皮膚，模仿人類手指沿著表面滑動或區分不同紋理時的拉伸和壓縮方式。它以與人體皮膚相似的精度和靈敏度來測量這種觸覺信息，并且可以極大地提高機器人執行從手術和工業程序到清潔廚房的所有能力。

“機器人和假肢手實際上是基于視覺線索 - 例如，'我能看到我的手纏繞在這個物體上嗎?' 或者“它接觸這根電線嗎?” 但這顯然是不完整的信息，“資深作者喬納森波斯納說，他是機械工程和化學工程的華盛頓大學教授。

“如果機器人要拆除簡易爆炸裝置，它需要知道它的手是沿著導線滑動還是拉動它。要抓住醫療器械，它需要知道物體是否在滑動。這一切都是需要能夠感知剪切力，這是其他傳感器皮膚無法做到的，“波斯納說。

今天的一些機器人使用完全儀器化的手指，但“觸摸”的感覺僅限于該附肢，你不能改變其形狀或大小以適應不同的任務。另一種方法是將機器人附件包裹在傳感器外殼中，從而提供更好的設計靈活性。但是這些皮膚還沒有提供全方位的觸覺信息。

“傳統上，觸覺傳感器設計專注于感知各種模態：法向力，剪切力或振動。然而，靈巧操作是一個需要多模式方法的動態過程。我們最新的皮膚原型包含所有三種模態的事實創造了許多新的基于機器學習的機器能力提升方法的可能性，“聯合作者和機器人技術合作者Veronica Santos說，他是加州大學洛杉磯分校機械和航空航天工程副教授。

新的可拉伸電子皮，由華盛頓大學華盛頓納米加工設施制造，采用與游泳鏡相同的硅橡膠制成。橡膠內嵌有微小的蛇形通道 - 大約是人類頭發寬度的一半 - 填充有導電的液態金屬，當皮膚被拉伸時，它不會像固體線那樣開裂或疲勞。

當皮膚放置在機器人手指或末端執行器周圍時，這些微流體通道策略性地放置在人類指甲所在的任一側。

當您的手指滑過表面時，指甲的一側凸出，而另一側則在張力下拉緊。機器人或假肢手指也會發生同樣的事情 - 釘床一側的微流體通道壓縮，而另一側的微流體通道伸展。

當通道幾何形狀發生變化時，可以流過它們的電量也會發生變化。研究小組可以測量這些電阻差異，并將它們與機器人手指所經歷的剪切力和振動聯系起來。

“它確實遵循了人類生物學的線索，”主要作者Jianzhu Yin說道，他最近獲得了機械工程大學的博士學位。“我們的電子皮膚就像人的手指一樣向一側凸起，測量剪切力的傳感器實際上位于釘子的位置，這導致傳感器的性能與人的手指相似。”

將傳感器放置在最可能接觸的手指部分之外，可以更容易地將剪切力與在與物體相互作用時也會發生的正常“推”力區分開來，這與其他傳感器皮膚解決方案很難對比。

來自威斯康星大學工程學院和加州大學洛杉磯分校Henry Samueli工程與應用科學學院的研究團隊已經證明，物理堅固且耐化學腐蝕的傳感器外殼對于輕觸應用具有高水平的精度和靈敏度 - 打開一扇門，相互作用用手機，握手，拾取包裹，處理物品等。最近的實驗表明，皮膚可以檢測到每秒800次的微小振動，比人的手指更好。

“通過在柔性電子皮膚中模仿人體生理學，我們達到了與人類手一致的靈敏度和精確度，這是一個重要的突破，”波斯納說。“觸覺對假肢和機器人應用至關重要，而這正是我們最終創造的。”