中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
據麥姆斯咨詢(xún)介紹，開(kāi)發(fā)與人手媲美的的機器手所面臨的多方面挑戰仍然是需要大量研究的課題。毋庸置疑，研究人員在復制人手諸多功能和特征，如某項或幾項性能（抓取和操縱等）已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。然而，人手是多功能的結合，如骨骼結構、肌肉力量、完全控制的關(guān)節、壓力/剪切力/運動(dòng)/加速度/溫度感知，等等，并在很寬泛的動(dòng)態(tài)范圍內擁有這些屬性。
斯坦福大學(xué)（Stanford University）研究人員正在展開(kāi)的工作展示了在嘗試提供與人體皮膚相同感知能力所面臨的挑戰和進(jìn)步。由化學(xué)工程師鮑哲南（Zhenan Bao）領(lǐng)導的團隊開(kāi)發(fā)目標是在手套的指尖嵌入“連續”傳感器。傳感器能夠同時(shí)測量力的強度和方向，兩個(gè)反饋因子對實(shí)現完全控制的靈活性至關(guān)重要，這是不需要經(jīng)過(guò)有意識思考的人手所提供的壯舉。
在觀(guān)察這款手套之前，應該先了解皮膚結構，它不僅僅是一個(gè)靈活、充滿(mǎn)神經(jīng)的保護層。外皮層布滿(mǎn)傳感器以檢測壓力、熱量和其他刺激物；當然，手指和手掌上都是密集的觸摸傳感器。但是這可謂只是表層。表層之下是被稱(chēng)為棘層的皮膚內層，看起來(lái)像丘陵和山谷的凹凸不平的微觀(guān)地帶。這些突起（bump）是傳感“機制”的重要組成部分。
兩層皮膚緊密結合，以整合感官信號。當手指接觸皮膚表面時(shí)，皮膚外層會(huì )移動(dòng)到更接近底層的棘層。輕微的觸感主要來(lái)自棘層的“山頂”，當施加更大的壓力時(shí)，將外皮層推入棘層的“山谷”，以引發(fā)更強烈的觸感。
雖然看起來(lái)相當簡(jiǎn)單，但是只是其中的一部分。皮膚的凹凸層能夠感知更多，它揭示了壓力的方向（剪切力）。當手指朝一個(gè)方向按壓時(shí)，在微觀(guān)山丘的另一側會(huì )產(chǎn)生強烈的感知信號。感知和評估剪切力大小的能力對實(shí)現溫和有力的動(dòng)作（例如在拇指和食指之間保持易碎物體）而言至關(guān)重要。
工程上的挑戰是從電學(xué)角度復制皮膚功能并開(kāi)發(fā)出多層手套。為了實(shí)現上述目標，研究團隊采用了三層布局，由絕緣橡膠層分隔電活性頂層和底層。底層也有金字塔結構的小突起，類(lèi)似于皮膚；它們共同形成具有密集感測點(diǎn)陣列的二維網(wǎng)格。納米電容器的布局包括嵌入聚氨酯（polyurethane, PU）的碳納米管（carbon-nanotube, CNT）頂部和底部電極；它們可以測量和區分正向力（垂直于表面）和切向（剪切）力（圖1）。
圖1 電子皮膚的制造和組裝（A）—該裝置由三層組成，通過(guò)層壓組裝：底部是厚度為1mm，帶有山丘陣列的聚氨酯層（山丘直徑1 mm，高度20 μm）（i）；中間是厚度為10 μm的介電層，作為頂部和頂部電極之間的間隔層（ii）；頂部是厚度為60 μm，帶有金字塔陣列的聚氨酯層（iii）。電極由噴涂和光刻實(shí)現圖案化的導電碳納米管制成，嵌入聚氨酯基質(zhì)中（電極寬度300 μm，兩個(gè)電極之間的間距50 μm）。制作電子皮膚的光學(xué)圖像和山丘、電極上的特寫(xiě)視圖（插圖）（B）。光學(xué)成像顯示了碳納米管-聚氨酯互連用于LCR測試儀進(jìn)行信號記錄，以及頂部具有模制金字塔的電子皮膚層SEM圖，顯示了碳納米管-聚氨酯和聚氨酯區域（插圖）（C）。
但是這些感測點(diǎn)并非簡(jiǎn)單的電容器。電子皮膚的頂層包括模制的方形金字塔網(wǎng)格，當施加外力時(shí)，金字塔會(huì )發(fā)生彈性變形。電子皮膚的底部使用二維陣列模制山丘以模仿人體皮膚中的棘層；這些對于測量和區分施加力的方向是必不可少的。每個(gè)山丘對應25個(gè)電容器，每個(gè)電容器大小為90,000 μm2，山頂有1個(gè)電容器，斜坡有4個(gè)電容器，四個(gè)角落各有1個(gè)電容器，山丘周?chē)?6個(gè)電容器（圖2）。
圖2 圍繞山丘的不同電容器（像素）位置示意圖，
其中1個(gè)位于山頂，4個(gè)位于斜坡，4個(gè)位于角落，16個(gè)位于山丘周?chē)?/strong>
位于山丘一側并承受較大壓力的電容器電容增長(cháng)幅度大于與施加力方向相反的一側（分別為正向力、剪切力和傾斜力）（圖3）。圍繞山丘的電容圖提供了區分幾種不同類(lèi)型的施加力的能力，單獨的單個(gè)像素則無(wú)法提供上述信息。
圖3 測量仿生電子皮膚的響應特性；以一個(gè)山丘為中心的5 × 5電容器傳感器陣列的特點(diǎn)在于通過(guò)施加正向力
（a）施加剪切力（b）和施加傾斜力（c）來(lái)測量壓力響應曲線(xiàn)。
每個(gè)色帶對應5%的ΔC/Cmin變化，與沒(méi)有施加和施加過(guò)壓力的電容相一致。
該團隊通過(guò)模擬研究了電子皮膚參數，以最大限度提高其靈敏度、信噪比（SNR）和時(shí)間響應權衡。他們使用了多種金字塔尺寸（寬度為10、20、30、40、50 μm）和分隔距離（比例b/a=0.4、0.8、1.2、1.6、2和4，其中a + b是兩個(gè)金字塔中心之間的距離）。
將手套放置在實(shí)體模型柔性手上，將它連到安裝在KUKA IIWA機器人臂的雄克（Schunk）WSG 50夾具上以提供驅動(dòng)。算法利用反饋回路中的感測讀數來(lái)指導戴手套的機器手輕柔觸摸漿果或像人手一樣舉起并移動(dòng)一個(gè)乒乓球。這是通過(guò)使用傳感器來(lái)指示剪切力，并控制戴手套的手以根據人體功能需求去調整其動(dòng)作而實(shí)現的（圖4）。
圖4 傳感器足夠靈活，可以在不壓碎一顆藍莓的情況下，讓手指拾起并抓住。
人體皮膚的基礎知識，以及電子皮膚的設計、材料、制作和應用的全部細節都發(fā)表在《Science Robotics》期刊上，一篇非常易讀且內容豐富的論文中，論文題目為“A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics”，包括其補充信息。
此項研究工作中的一部分得到了瑞士國家科學(xué)基金會(huì )（Swiss National Science Foundation）、歐洲委員會(huì )（the European Commission）、美國國家科學(xué)基金會(huì )（National Science Foundation）和斯坦福納米共享設施（Stanford Nano Shared Facilities）的支持。
