新研发触觉传感器令机械手不捏碎豆腐、助残障者重获触觉

皮肤赋予人类触觉,我们可以同时感觉到各种外界刺激的强度和模式,例如分辨出按压的力度等。举个例子,假如感觉手中拿的瓶子向下滑了,我们就会调整力度抓实瓶子。然而目前模仿人类皮肤的触觉传感器,却往往未能即时感知及分辨出外界刺激的不同模式,例如未能分辨是滑动还是按压,因此即使装上触觉传感器,机械手仍然未及人手般灵活。

为了解决仿皮肤触觉传感器不能即时感知并分辨外界不同刺激的问题,香港城市大学机械工程学系的助理教授杨征保博士与研究团队,成功设计出了可实时区分不同刺激的强度、位置以及模式的压电式触觉传感器阵列。

与同类设备相比,研究团队研发的技术具有更高的灵敏度和耐用性,而且反应更快速。杨博士说:“我们这个系统,能够实时检测和区分单一传感器内测量到的不同外部刺激。而且传感器作出反应的速度极快,反应时间可以短至10毫秒,甚至比人体皮肤还要快!”

——图a展示传感器阵列模仿人类皮肤的多层结构设计,从上到下依次为保护层、上感知层、隔离层、下感知层、保护层。图b展示团队研发的“行+列(row+column)”电极排列模式(左),大减线路的数量。图c是触觉传感器阵列系统即时分辨不同模式刺激的示意图。

为了令传感器能够测量到更多的时空信息,新型的压电式触觉传感器阵列由保护层、隔离层和感知层而组成。

所谓压电式,是指在电介质材料中,机械能与电能可以互换的压电效应。研究团队研发的这种基于压电薄膜的触觉传感器阵列,便利用压电效应原理,先将外界的刺激转换为电信号,在信号处理后,再结合逻辑算法来即时判断外界刺激的大小和模式,例如轻微滑动,按压和弯曲。他们的实验结果证明传,感器阵列不仅能同时“感知到”弯曲的半径和弯曲方向,还能精确捕捉到多个外界刺激点的确实位置。

与此同时,团队还一改现行“行x列(row x column)”的电极排列模式,研发出“行+列(row + column)”的电极模式,不但缩小了传感器的尺寸,而且大大减少了接驳线路的所需数量,减省成本之余还解决了现有传感器普遍存在的信号串扰问题。

结果显示,装有触觉传感器的机械手由于反应迅速,在触摸到豆腐时及时调整力度,成功将易碎的豆腐抓住而没有捏碎。相反,未装有触觉传感器的机械手则捏碎了豆腐。

杨博士总结道:“我们的研究补足了现有传感器在实时感测和区分各种刺激上的技术不足,并为传感器的设计和大面积可扩展制造带来启示。”这种实时区分不同刺激的技术用途广泛,可用于电子皮肤、健康监测和机器人。

虽然目前仿人类皮肤触觉传感器在实际应用中仍面临着很多挑战。但毫无疑问,杨博士研究团队的该项新技术在应用于人机界面有着巨大的潜力,除了能促进智能假肢和电子皮肤的发展,或令皮肤受损者或截肢者重拾触感,还可被工业界用以处理柔软和易碎的产品,在多个领域都具有巨大的应用前景。