沈博士此前开发了一种新型磁喷雾，可以将物体转化为用于生物医学应用的毫机器人s. Credit:香港城市大学由香港城市大学(CityU)共同领导的联合研究团队开发了一种具有皮肤可比特性的新型软触觉传感器。传感器安装在指尖的机器人抓手可以完成具有挑战性的任务，例如稳定地抓取易碎物体和穿针。他们的研究为触觉传感器的设计提供了新的见解，并有助于机器人领域的各种应用，如智能假肢和人机交互。城市大学生物医学工程系(BME)副教授沈博士是该项研究的共同负责人之一。该发现最近发表在科学杂志《科学机器人学》上，标题为“具有力自解耦的超分辨率触觉传感的软磁皮肤。”
模仿人类皮肤特征
人类皮肤的一个主要特征是它能够感知剪切力，这意味着当两个物体接触时，使它们相互滑动或滑过的力。通过感知剪切力的大小、方向和细微变化，我们的皮肤可以作为反馈，允许我们调整应该如何用手和手指稳定地握住物体，或者应该抓得多紧。
为了模仿人类皮肤的这一重要特征，沈博士和来自香港大学分校的合作者潘佳博士开发了一种新颖的柔软触觉传感器。该传感器是一个多层结构，像人的皮肤，并包括一个柔性和特殊磁化薄膜约0.5毫米吨铰链作为顶层。当外力施加在其上时，它可以检测到由于薄膜变形引起的磁场变化。更重要的是，它可以将外力自动“解耦”或分解为两个分量——法向力(垂直于物体施加的力)和剪切力，分别提供这两个力的精确测量。
“分离外力很重要，因为每个力分量对物体都有自己的影响。BME大学博士生、该论文的第一作者严有灿解释说:“为了分析或控制物体的静止或运动状态，必须知道每个力分量的精确值。
即使实验者试图将鸡蛋拖下来，机器人抓手也能稳定地抓住鸡蛋。当实验者停止拖动时，机器人抓手可以调整力的大小，以避免打破鸡蛋。(电影来源:沈博士团队提供。学分:香港城市大学(城大)深度学习提高准确度
此外，该传感器拥有另一个类似人类皮肤的特征——触觉“超分辨率”，使其能够尽可能准确地定位刺激的位置。沈博士说:“我们利用深度学习开发了一种高效的触觉超分辨率算法，并实现了接触位置的定位精度提高了60倍，这是迄今为止报道的超分辨率方法中最好的一种。这种有效的触觉超分辨率算法可以帮助提高具有最少数量的感测单元的触觉传感器阵列的物理分辨率，从而减少布线数量和信号传输所需的时间。
“据我们所知，这是第一个同时实现自解耦和超分辨率能力的触觉传感器，”他补充道。
该传感器支持遥控穿针。功劳:沈博士的团队带着新传感器的机械手完成了具有挑战性的任务
通过将传感器安装在机器人抓手的指尖，该团队表明机器人可以完成具有挑战性的任务。例如，机器人抓手稳定地抓住像鸡蛋这样的易碎物体，同时外力试图将其拉走，或者通过遥操作穿针。“我们传感器的超分辨率有助于机械手在抓住物体时调整接触位置。并且机械臂可以根据触觉传感器的力解耦能力来调整力的大小，”沈博士解释道。
他补充说，该传感器可以很容易地扩展到传感器阵列的形式，甚至是未来覆盖机器人全身的连续电子皮肤。传感器的灵敏度和测量范围可以通过改变传感器顶层(磁性薄膜)的磁化方向来调整，而无需改变传感器的厚度。这使得电子皮肤在不同部位具有不同的灵敏度和测量范围，就像人体皮肤一样。
通过触觉传感器的力反馈，瓶子被稳定地保持在抓手中。另一方面，瓶子在液体填充过程中滑动，没有力反馈。功劳:沈博士的团队此外，与其他触觉传感器相比，该传感器的制造和校准过程要短得多，便于实际应用。
“这种提出的传感器可能有益于机器人领域的各种应用，例如自适应抓取、灵巧操作、纹理识别、智能假肢和人机交互。具有类似皮肤特征的柔软人工触觉传感器的进步可以使家用机器人成为我们日常生活的一部分，”沈博士总结道。
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