電子手套為機(jī)器人帶來觸感

斯坦福大學(xué)的工程師開發(fā)出一種含有傳感器的電子手套，有朝一日它可以為機(jī)器人提供人類認(rèn)為理所當(dāng)然的靈巧性。

在11月21日發(fā)表在Science Robotics上的一篇論文中，化學(xué)工程師Zhenan Bao和她的團(tuán)隊(duì)證明了這些傳感器工作得很好，可以讓機(jī)器人的手觸摸一個(gè)精致的漿果，并在不擠壓它的情況下處理一個(gè)乒乓球。

“這項(xiàng)技術(shù)讓我們走上了有朝一日讓機(jī)器人在人體皮膚中發(fā)現(xiàn)感知能力的道路，”鮑說。

鮑說，手套指尖的傳感器同時(shí)測量壓力的強(qiáng)度和方向，這是實(shí)現(xiàn)手動靈活性所必需的兩個(gè)品質(zhì)。研究人員仍然必須完善自動控制這些傳感器的技術(shù)，但是當(dāng)他們這樣做時(shí)，戴著手套的機(jī)器人可以靈巧地將拇指和食指夾在一起，而不會砸碎它或讓它滑動。

電子模仿生活

電子手套模仿人體皮膚層的共同作用，使我們的手具有非凡的靈敏度。

我們的外層皮膚充滿了傳感器，可以檢測壓力，熱量和其他刺激。我們的手指和手掌特別富有觸摸傳感器。這些傳感器與稱為棘突的皮膚子層一起工作，這是一個(gè)丘陵和山谷的顛簸的微觀地形。

這種顛簸是至關(guān)重要的。當(dāng)我們的手指接觸物體時(shí)，外層皮膚會更接近棘突。甲光觸摸主要感覺到接近山頂傳感器。更強(qiáng)烈的壓力迫使外皮下降到棘突的谷中，引發(fā)更強(qiáng)烈的觸感。

但是測量壓力強(qiáng)度只是刺槐所能達(dá)到的一部分。這個(gè)凹凸不平的子層還有助于揭示壓力或剪切力的方向。例如，一根手指向北推，在那些微觀山丘的南坡上產(chǎn)生強(qiáng)烈的信號。這種感應(yīng)剪切力的能力是幫助我們輕柔但堅(jiān)定地將雞蛋放在拇指和食指之間的一部分。

博士后學(xué)者Clementine Boutry和碩士生Marc Negre領(lǐng)導(dǎo)了模仿這種人體機(jī)制的電子傳感器的開發(fā)。機(jī)器人手套指尖上的每個(gè)傳感器由三個(gè)柔性層組成，它們協(xié)同工作。頂層和底層是電活性的。研究人員在兩個(gè)相對的表面中的每一個(gè)上鋪設(shè)了電線網(wǎng)格，就像場中的行一樣，并且將這些行彼此垂直地轉(zhuǎn)動以創(chuàng)建密集的小感測像素陣列。他們還使底層像棘面一樣顛簸。

中間的橡膠絕緣體簡單地保持頂層和底層電極分開。但這種分離是至關(guān)重要的，因?yàn)榻咏鴽]有接觸的電極可以存儲電能。當(dāng)機(jī)器人手指向下壓，將上電極擠壓到更靠近底部時(shí)，儲存的能量增加。底層的山丘和山谷提供了一種將壓力的強(qiáng)度和方向映射到垂直網(wǎng)格上的特定點(diǎn)的方法，就像人類的皮膚一樣。

為了測試他們的技術(shù)，研究人員將他們的三層傳感器放在橡膠手套的手指上，然后將手套放在機(jī)器人手上。最終目標(biāo)是將傳感器直接嵌入到機(jī)器人手的皮膚狀覆蓋物中。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他們編寫了戴手套的機(jī)器人手輕輕觸摸漿果而不損壞它。他們還通過使用傳感器檢測適當(dāng)?shù)募羟辛碜プ∏蚨坏袈淝?，然后編制戴手套的手來提升和移動乒乓球而不會壓碎它?/p>

鮑說，通過適當(dāng)?shù)木幊?，佩戴?dāng)前觸摸感應(yīng)手套的機(jī)器人手可以執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，例如將雞蛋從傳送帶上提起并將其放入紙箱中。該技術(shù)還可用于機(jī)器人輔助手術(shù)，其中精確的觸摸控制是必不可少的。但寶的最終目標(biāo)是開發(fā)一種高級版手套，無需預(yù)先編程即可自動施加適當(dāng)?shù)牧α恳园踩靥幚砦矬w。

“我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手觸摸覆盆子而不會破壞它，但我們距離能夠觸摸并檢測到它是覆盆子并讓機(jī)器人撿起它還有很長的路要走，”她說。