這是一種具有三維力觸覺感知的機(jī)器人皮膚，當(dāng)抓取雞蛋時，如果有外力試圖將其拽走，該觸覺皮膚能夠檢測到向下的拖拽力或切向力。
這樣，夾爪可以自動增加夾持力（以避免雞蛋滑落），且在外力撤走后自動減小夾持力（以避免夾碎雞蛋），從而實現(xiàn)自適應(yīng)抓取。
這項研究來自法國國家科學(xué)研究中心團(tuán)隊，他們開發(fā)了一種新型自解耦三維觸覺傳感器，其創(chuàng)新性在于采用特殊的磁膜設(shè)計實現(xiàn)了三維力的獨立測量。
該技術(shù)突破了傳統(tǒng)觸覺傳感器依賴復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)擬合方法的局限，將校準(zhǔn)復(fù)雜度從傳統(tǒng)的二次方或三次方量級（N2 或 N3）降低到線性規(guī)模（3N），不僅簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，更顯著減少了標(biāo)定數(shù)據(jù)采集和處理的時間。
在應(yīng)用層面，該傳感器展現(xiàn)出跨領(lǐng)域的適配潛力：在醫(yī)療領(lǐng)域，可實現(xiàn)人工膝關(guān)節(jié)三維力分布的精確測量；在機(jī)器人領(lǐng)域，可提升示教操作的觸覺反饋精度；在健康監(jiān)測領(lǐng)域，則能用于護(hù)膝等可穿戴設(shè)備的力學(xué)監(jiān)測。這些應(yīng)用場景的拓展，標(biāo)志著三維力感知技術(shù)向?qū)嵱没~進(jìn)關(guān)鍵一步。
該論文第一兼通訊作者、法國國家科學(xué)研究中心博士后閆友璨表示，這是機(jī)器人觸覺感知技術(shù)的重要進(jìn)步，只有更精準(zhǔn)地感知三維力，才能更安全、更主動地與物理世界交互，而讓機(jī)器人全身都具備觸覺感知能力是實現(xiàn)具身智能不可或缺的關(guān)鍵模塊。
日前，相關(guān)論文以《一種具有三維力自解耦單元的觸覺皮膚》（A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels）為題發(fā)表在Nature Machine Intelligence[1]。
閆友璨是第一作者兼通訊作者，法國國家科學(xué)研究中心阿伯達(dá)拉曼恩-凱達(dá)（Abderrahmane Kheddar）教授擔(dān)任共同通訊作者。
巧用正交磁化的 Halbach 陣列結(jié)構(gòu)，顯著減少數(shù)據(jù)采集和處理時間
2021 年，閆友璨與合作者在發(fā)表于Science Robotics的工作中實現(xiàn)了二維力的解耦 [2]，而該研究將二維力的解耦技術(shù)擴(kuò)展到三維空間。
三維力是指物體在空間三個正交方向（X、Y、Z 軸）上所受到的力，包括法向力（Z 軸）和切向力（X/Y 軸）。
三維力的應(yīng)用場景廣泛，例如，在機(jī)器人抓取易碎物品時，需同時感知法向壓力（防捏碎）和切向力（防滑落）；在醫(yī)療領(lǐng)域，假肢需要實時監(jiān)測三維受力分布，以避免局部壓力過大導(dǎo)致組織損傷。
然而，實現(xiàn)三維力的測量和自解耦并非易事。這需要設(shè)計出特定的磁化方式，來構(gòu)建出具有自解耦性質(zhì)的三維磁場分布：當(dāng)在某個方向施加力的時侯，另外兩個方向的傳感器輸出與該方向沒有耦合。
傳統(tǒng)的觸覺傳感器（如基于壓阻或電容的傳感器）通常只能測量壓力（一維信息），若測量切向力或三維力，則必須依賴復(fù)雜的傳感器結(jié)構(gòu)，或采用繁瑣的標(biāo)定方法進(jìn)行解耦。舉例來說，假設(shè)在每個方向取 10 個標(biāo)定點，傳統(tǒng)方法的標(biāo)定次數(shù)高達(dá) 103（10×10×10 次）。
為解決上述問題，該課題組提出了一種創(chuàng)新的思路：基于三維磁場信息，通過優(yōu)化磁膜設(shè)計，使傳感器的輸出在三個方向上實現(xiàn)天然解耦。
這一設(shè)計使得標(biāo)定流程顯著簡化——每個方向可獨立進(jìn)行，而另外兩個方向不受影響，標(biāo)定次數(shù)為 30 次（10+10+10 次），與此前的 103 相比大大降低了校準(zhǔn)復(fù)雜度。
也就是說，新型觸覺傳感器用簡單的結(jié)構(gòu)和標(biāo)定流程，就能夠達(dá)到傳統(tǒng)傳感器需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和標(biāo)定才能實現(xiàn)的測量精度（三維自解耦測量誤差在 5% 以內(nèi)）。
這種觸覺傳感器采用類似“三明治”的三層結(jié)構(gòu)，從上至下分別是磁膜、彈性硅膠層和霍爾傳感器（如上圖）。
最上層是傳感器的核心部件磁膜，用來提供特殊磁場分布。研究人員采用 Halbach 結(jié)構(gòu)和正交疊加的方式，利用磁場的三維信息實現(xiàn)了三維力信息的解耦，這也是這項研究的核心優(yōu)勢。
“普通的磁化方式無法實現(xiàn)自解耦效果，而我們發(fā)現(xiàn)正弦磁化的 Halbach 陣列具有天然解耦的磁場性質(zhì)，將其正交疊加后能夠?qū)崿F(xiàn)三維力自解耦所需的磁場分布。”閆友璨說。
中間層是彈性硅膠層，它的作用是通過改變其厚度、硬度或彈性模量，靈活調(diào)整傳感器的測量范圍和靈敏度。最下層是安裝在印刷電路板（PCB，Printed Circuit Board）的霍爾傳感器，用來測量三維磁通量變化。
那么，這種觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)是如何協(xié)同工作的呢？
當(dāng)外力直接作用在傳感器表面時，磁膜會發(fā)生變形，進(jìn)而引起磁場發(fā)生變化?；魻杺鞲衅魍ㄟ^測量磁場的變化，反向推算出自身變形的程度，進(jìn)而進(jìn)一步推算出施加的力的大小。
盡管磁場設(shè)計是關(guān)鍵，但能否通過簡易工藝實現(xiàn)同樣至關(guān)重要。為此，研究團(tuán)隊與香港大學(xué)潘佳教授合作，結(jié)合理論推導(dǎo)、仿真模擬與實驗數(shù)據(jù)對比，驗證了該方案的可行性。
此外，這種三層結(jié)構(gòu)具備高度可擴(kuò)展性，設(shè)計者可通過調(diào)整參數(shù)（如硅膠硬度或磁膜特性）靈活定制傳感器的靈敏度與測量范圍，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。
可應(yīng)用于測量三維力分布和機(jī)器人示教等領(lǐng)域
閆友璨指出，該技術(shù)目前最直觀的應(yīng)用場景是在機(jī)器人的抓取與操作、醫(yī)療與健康監(jiān)測等領(lǐng)域。在這項研究中，研究人員在三個方面展示了該技術(shù)的應(yīng)用潛力。
·測量人工膝關(guān)節(jié)的三維力分布：
盡管現(xiàn)有基于視覺的觸覺傳感器可以測量高精度的三維力分布，但由于它們的體積較大（需內(nèi)置攝像頭）、傳感面積相對較小，難以集成到膝關(guān)節(jié)實現(xiàn)大面積觸覺傳感?；趬鹤杌螂娙莸仍淼钠渌麄鞲衅魍ǔＶ荒軠y量壓力，也無法方便實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)三維力分布的測量，而該技術(shù)彌補了現(xiàn)有傳感器的不足。
（來源：Nature Machine Intelligence）
·機(jī)器人示教：
傳統(tǒng)的機(jī)器人視覺方法中，最常見的是方法是為機(jī)器人都配備示教按鈕，這個按鈕安裝在機(jī)械臂末端或示教器上。當(dāng)進(jìn)行機(jī)器人示教時，需要全程按住這個按鈕，同時拖動機(jī)器人的末端。機(jī)器人會記住拖動的軌跡，并在下次重復(fù)這個軌跡。
另一種方法是，在機(jī)器人的末端安裝六維力/力矩傳感器（比如 ATI 公司傳感器）。這種方式的局限性是傳感器僅能安裝在機(jī)器人的外部手腕處，其無法直接與物體交互，且無法區(qū)分切向力和扭矩。另外，由于這種力傳感器是剛性的，在末端抓取或操作易碎物品（例如雞蛋）時也存在挑戰(zhàn)。
與之對比的是，該課題組所開發(fā)的方法更加直觀和簡單，將傳感器直接安裝在機(jī)械夾爪的手指表面。當(dāng)夾爪抓取物體，比如在制作咖啡時抓取水杯或勺子時，能夠直接通過拖拽物體進(jìn)行示教（如上視頻）。
并且，由于傳感器安裝在末端，可以分辨出非常微弱和精細(xì)的三維力和力矩，因而避免了傳統(tǒng)方法中區(qū)分切向力和扭轉(zhuǎn)力的問題。閆友璨表示：“在示教過程中，我們可以直接與物體交互（與傳感器同一水平位置），這樣能更直觀自然地完成咖啡制作等較復(fù)雜的任務(wù)?！?/strong>
·護(hù)膝力監(jiān)測：
該傳感器還可安裝在護(hù)膝或膝蓋護(hù)具內(nèi)，用于監(jiān)測人在正常活動（例如走路、跳躍、跑步或蹲下）時，護(hù)膝與皮膚之間的三維力。
研究人員使用了柔性 PCB 來保證其底部的彎曲變形，更貼合護(hù)膝表面。這也為健康監(jiān)測提供了新方案，未來有望根據(jù)三維觸覺反饋實現(xiàn)護(hù)膝的主動控制（實時調(diào)整支撐力）。
展望未來，該技術(shù)有望在兩大方向?qū)崿F(xiàn)突破：
一是與軟體機(jī)器人結(jié)合，解決軟體機(jī)器人觸覺感知的難題。通過使用柔性基底，這項技術(shù)可為軟體機(jī)器人的觸覺感知提供新思路（但還需與軟體機(jī)器人的本體感知進(jìn)行解耦）。
二是在 AI 人機(jī)交互領(lǐng)域，通過同時在機(jī)器人和操作者手上布置觸覺傳感器與反饋裝置，使操作者能更真實地感知機(jī)器人與環(huán)境的交互力，從而獲得更直觀的遙操作體驗。
工業(yè)應(yīng)用的核心目標(biāo)：實現(xiàn)機(jī)器人的全身觸覺感知
閆友璨本科和碩士分別就讀于華北電力大學(xué)和西安交通大學(xué)，后在香港城市大學(xué)獲得博士學(xué)位。目前，他在法國國家科學(xué)研究中心從事博士后研究，研究方向是機(jī)器人觸覺感知的硬件和算法設(shè)計。
選擇這一研究方向是基于他的個人興趣及博士導(dǎo)師潘佳教授的引導(dǎo)。當(dāng)時，領(lǐng)域最具代表性的成果之一是高分辨率觸覺傳感器 GelSight，其可檢測微米級形變和滑動趨勢。它的核心開發(fā)者、現(xiàn)任美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校助理教授原文禎對閆友璨的研究提供了重要學(xué)術(shù)參考與指導(dǎo)，二人還合作了前文提及的Science Robotics工作 [2]。
在技術(shù)實現(xiàn)方面，這種新型觸覺傳感器展現(xiàn)出顯著的成本優(yōu)勢。與需要復(fù)雜加工工藝的傳統(tǒng)傳感器不同，該傳感器無需昂貴設(shè)備支持，可以在實驗室環(huán)境下完成制作。目前，研究團(tuán)隊已與工業(yè)界展開初步合作洽談，并計劃用這一創(chuàng)新方案替代現(xiàn)有價格高昂的六維力傳感器。
現(xiàn)階段，該課題組的研究重點聚焦在基于磁性觸覺傳感器的仿真研究，旨在為機(jī)器人在部署在實際場景的數(shù)據(jù)采集和訓(xùn)練提供基礎(chǔ)支持。在后續(xù)的研究階段，他們計劃進(jìn)一步提升技術(shù)的魯棒性，擴(kuò)展此前開發(fā)的超分辨率算法，并將實現(xiàn)機(jī)器人的全身觸覺感知作為核心目標(biāo)。
對于未來發(fā)展，閆友璨計劃在學(xué)術(shù)方面繼續(xù)深耕。他指出，相較于目前發(fā)展成熟的計算機(jī)視覺領(lǐng)域，觸覺傳感技術(shù)還處于起步階段，許多基礎(chǔ)問題亟待解決。只有先攻克了這些基礎(chǔ)科學(xué)問題，才能為工業(yè)界部署奠定堅實的基礎(chǔ)。
他希望未來將該技術(shù)從機(jī)器人的手指擴(kuò)展到全身，同時努力繼續(xù)降低成本和提高感知精度，開發(fā)觸覺感知和控制算法，以更好地滿足觸覺感知在更多場景下的應(yīng)用需求。
參考資料：
1.Yan, Y., Zermane, A., Pan, J. et al. A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels.Nature Machine Intelligence6, 1284–1295 (2024).
https://doi.org/10.1038/s42256-024-00904-9
2.Yan, Y. et al. Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling.Science Robotics6,eabc8801(2021).
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abc8801
排版：劉雅坤
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