北京航空航天大學的一個研究團隊最近開發了一種新的觸覺傳感技術，能夠讓機器人擁有像人一樣的觸覺，感受到物體表面的紋理是什麼樣的，還能感受到物體有多硬。這項技術可以應用於由柔軟材料製成的機器人上，為仿生假肢和類人機器人的製造提供幫助。研究者稱該研究的靈感來自於人類及哺乳動物的本體感覺機制，這是一種讓人類及哺乳動物能夠感知或意識到自身位置和運動的生物機制。
研究團隊對他們創建的原型系統進行了一系列測試評估其觸覺傳感技術，發現該系統在物體紋理和剛度識別方面分別達到了100%和99.7%的準確率。
該研究已在論文預印本發布平台arXiv上預發表，論文題目為《用肌腱驅動的軟機器人手指進行觸覺感知（Tactile Sensing with a Tendon-Driven Soft Robotic Finger）》
論文鏈接：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2107/2107.02546.pdf
一、研究者從人體得到靈感，讓機器手擁有觸覺
近年來，全球眾多機器人專家都在嘗試開發出一種可以複製人類觸覺的機器人系統，同時也在嘗試使用柔軟材料替代剛性結構，創造出更加逼真、更加先進的仿生肢體和類人機器人。
柔軟材料在採集觸覺信息方面具有紋理採集上的優勢，但是由柔軟材料製成的機械手臂通常無法收集更廣泛的感官信息。迄今為止，複製人類收集物體觸覺信息的生物機制仍是極具挑戰性的一件事。
過去的研究中往往使用剛性手指測量接觸剛度（contact stiffness），這些方法根據手指的運動學模型估計手指和物體間的接觸力和手指的位移，來對接觸剛度進行計算。然而這一方法很難被用到軟體機器人手指上，因為軟體機械手過於柔軟，運動學建模很困難，且結果通常不太準確。
而北京航空航天大學的這個研究團隊從在人類身上發現的本體感覺框架（proprioception framework）上得到靈感，開發出了新的觸覺傳感技術，使軟體機器手擁有了觸覺，能夠感知物品的紋理與剛度。
“當你蒙上眼睛並捂上耳朵時，仍可以感覺到你的手部姿勢、手臂位置或手裡提的食品袋的重量，這種能力就被稱作本體感覺。我們一直在進行一個假手研究項目，並努力尋找讓假手擁有觸覺反饋的辦法。”這項研究的參與者之一Chang Cheng說。
二、有觸覺的機器手指紋理識別準確率可達100%
在過去，機器人研究者通常不會將本體感覺與觸覺相關聯，因為人類的本體感覺機制並不會有特別精確的反饋。然而工業傳感器比人類本體感受器官靈敏的多，將它們用於機器人手指可以幫助研究者收集更精確的觸覺反饋。
北航的這個研究團隊創建的機器手原型系統由線性執行器（linear actuator）、肌腱/電纜（tendon/cable）、應變傳感器（strain sensor）和一個軟體機器人手指組成，另外還有一個用聚氨酯製成的套子套在在手指的末端，以模仿人的指尖。
▲機器手原型系統
機器手指的肌腱與執行器相連，應變傳感器則被安裝在肌腱的中間位置。當執行器被驅動時，它會拉動肌腱讓手指彎曲或伸直，肌腱上的應變（strain）也會相應的產生變化。當手指觸摸不同的物體時，傳感器會輸出一系列應變信號來表徵所觸摸的物體。
研究者用8個不同的紋理板和4個不同剛度的圓柱體對機器手指進行試驗。
觸覺感應測試中，研究者讓機械手指以較慢的速度劃過紋理板表面，由此產生的肌腱應變則被記錄下來，每個紋理板上共進行了60次試驗。
剛度感應測試實驗中，用於試驗的圓柱體被放置在手指下方，手指被激活后便會對物體施加壓力，這種狀態會保持4秒鐘。實驗中肌腱應變的各階段數據同樣會被記錄。
之後，研究團隊利用機器學習模型對這些數據進行分析，最終可識別出相應的物體紋理或物體剛度。經過驗證，該方法在物體紋理的識別上達到了100%的準確度，在物體剛度識別方面準確度也達到了99.7%。
▲進行紋理和剛度感應測試的試驗過程
三、該技術將用於開發機器人和假肢
“現有的關於神經支配仿生手指的研究大多都在之間表面安裝傳感器，雖然這些研究取得了不錯的結果，但它們需要指尖傳感器和物體進行精確的接觸，這在實踐中往往無法獲得保證。”Chang Cheng說，“而我們的研究的關鍵又是在於傳感單元位於肌腱上，因此手指上任何地方的接觸都能產生特徵信號輸出，並可以用來推斷觸覺信息。”
該研究團隊將傳感器嵌入機器人的肌腱上實現新的觸覺傳感方法，這是一種前所未有的方式，經過試驗他們發現這有很高的應用潛力。
將來，他們開發的這種系統可以用於開發更加先進的機器人和假肢。這些機器人和假肢可以擁有觸覺並利用本體感覺反饋，而無需與物體表面進行完美或精確的接觸。
Chang Cheng說：“我們現在正在探索該系統的滑動檢測能力。當人類操縱或抓住某種東西時，滑動是不可避免的，因此檢測和控制滑動對於機器人能否穩健可靠的控制物體來說至關重要。我們相信滑動檢測將是一個很好的功能添加，我們的初步實驗已經顯示出非常有希望的結果。”
除了進一步開發這一系統外，該研究團隊還正與一家納米技術實驗室開發一種低成本的觸覺傳感器，這種傳感器可以感知力或扭矩信號，並可以放置在機器人的指尖上。他們已經創造了這種設備的原型，正在評估其性能。
結語：觸覺傳感技術讓假肢也能擁有觸覺
柔軟材料在採集觸覺信息方面有着較明顯的優勢，並且由於其自身柔軟的特性，與剛性材料相比更加適合用於製造仿生肢體和類人機器人。
在過去讓軟體機器人擁有觸覺是一件較為困難的事，而該研究團隊從人體和哺乳動物身上得到啟發，巧妙的解決了這一問題，讓機器人手指不僅可以識別物體紋理，還能識別物體剛度。
這一技術將被用於機器人開發和假肢製造上，讓機器人和假肢也能擁有觸覺。