灵活的皮肤可以帮助机器人 假肢通过感应剪切力来执行日常任务

如果发送机器人来禁用路边炸弹 - 或者在烹饪煎蛋卷的同时精心处理鸡蛋 - 它需要能够感知物体何时滑出其抓握。

然而迄今为止，大多数机器人和假肢手难以或不可能准确地感测出发生的振动和剪切力，例如，当手指沿着桌面滑动或者当物体开始下落时。

现在，华盛顿大学和加州大学洛杉矶分校的工程师开发了一种灵活的传感器“皮肤”，可以在机器人身体或假肢的任何部位伸展，以准确传达有关剪切力和振动的信息，这些信息对于成功抓取和操纵物体至关重要。

在传感器和执行器A：Physical中发表的一篇论文中描述了生物启发的机器人传感器皮肤，模仿人类手指沿着表面滑动或区分不同纹理时的拉伸和压缩方式。它以与人体皮肤相似的精度和灵敏度来测量这种触觉信息，并且可以极大地提高机器人执行从手术和工业程序到清洁厨房的所有能力。

“机器人和假肢手实际上是基于视觉线索 - 例如，'我能看到我的手缠绕在这个物体上吗?' 或者“它接触这根电线吗?” 但这显然是不完整的信息，“资深作者乔纳森波斯纳说，他是机械工程和化学工程的华盛顿大学教授。

“如果机器人要拆除简易爆炸装置，它需要知道它的手是沿着导线滑动还是拉动它。要抓住医疗器械，它需要知道物体是否在滑动。这一切都是需要能够感知剪切力，这是其他传感器皮肤无法做到的，“波斯纳说。

今天的一些机器人使用完全仪器化的手指，但“触摸”的感觉仅限于该附肢，你不能改变其形状或大小以适应不同的任务。另一种方法是将机器人附件包裹在传感器外壳中，从而提供更好的设计灵活性。但是这些皮肤还没有提供全方位的触觉信息。

“传统上，触觉传感器设计专注于感知各种模态：法向力，剪切力或振动。然而，灵巧操作是一个需要多模式方法的动态过程。我们最新的皮肤原型包含所有三种模态的事实创造了许多新的基于机器学习的机器能力提升方法的可能性，“联合作者和机器人技术合作者Veronica Santos说，他是加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程副教授。

新的可拉伸电子皮，由华盛顿大学华盛顿纳米加工设施制造，采用与游泳镜相同的硅橡胶制成。橡胶内嵌有微小的蛇形通道 - 大约是人类头发宽度的一半 - 填充有导电的液态金属，当皮肤被拉伸时，它不会像固体线那样开裂或疲劳。

当皮肤放置在机器人手指或末端执行器周围时，这些微流体通道策略性地放置在人类指甲所在的任一侧。

当您的手指滑过表面时，指甲的一侧凸出，而另一侧则在张力下拉紧。机器人或假肢手指也会发生同样的事情 - 钉床一侧的微流体通道压缩，而另一侧的微流体通道伸展。

当通道几何形状发生变化时，可以流过它们的电量也会发生变化。研究小组可以测量这些电阻差异，并将它们与机器人手指所经历的剪切力和振动联系起来。

“它确实遵循了人类生物学的线索，”主要作者Jianzhu Yin说道，他最近获得了机械工程大学的博士学位。“我们的电子皮肤就像人的手指一样向一侧凸起，测量剪切力的传感器实际上位于钉子的位置，这导致传感器的性能与人的手指相似。”

将传感器放置在最可能接触的手指部分之外，可以更容易地将剪切力与在与物体相互作用时也会发生的正常“推”力区分开来，这与其他传感器皮肤解决方案很难对比。

来自威斯康星大学工程学院和加州大学洛杉矶分校Henry Samueli工程与应用科学学院的研究团队已经证明，物理坚固且耐化学腐蚀的传感器外壳对于轻触应用具有高水平的精度和灵敏度 - 打开一扇门，相互作用用手机，握手，拾取包裹，处理物品等。最近的实验表明，皮肤可以检测到每秒800次的微小振动，比人的手指更好。

“通过在柔性电子皮肤中模仿人体生理学，我们达到了与人类手一致的灵敏度和精确度，这是一个重要的突破，”波斯纳说。“触觉对假肢和机器人应用至关重要，而这正是我们最终创造的。”