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- “人工皮膚”能夠造就“鐵臂阿童木”？
- 來源：科技日報 發(fā)表于 2011/1/16
如同人可以通過觸覺來感知外界事物一樣，觸覺也是機器人感知外部信息的重要手段。如今，設(shè)計研制更加智能的機器人是目前智能化研究的一個重要方向，而觸覺傳感器（“人工皮膚”）的研究是其中的一項重要內(nèi)容。目前對類皮膚多維觸覺傳感器有迫切需求的仿生機器人來說，既要求觸覺傳感器能夠敏感準確地感知外部環(huán)境，又要求其足夠柔軟，使機器人可以靈活運動。
近日，合肥智能機械研究所和合肥工業(yè)大學聯(lián)合研制成功一款新型的“人工皮膚”，這是我國首次研制出的用于監(jiān)測“三維力”的機器人觸覺傳感器。這種皮膚有什么樣的優(yōu)勢？可以在哪些方面得到應用呢？
新型“人工皮膚”不同凡響
所謂可以檢測三維力的“人工皮膚”，即，可以實時的檢測具體的受力點和三個方向的力，它不僅包括垂直方向的壓力，而且還包括側(cè)向的摩擦力。它綜合應用了材料科學、納米技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能理論。
“‘人工皮膚’是一種用于智能機器人的‘皮膚’，它能為機器人提供觸覺信息，是一種類皮膚的陣列觸覺傳感器，其可以感覺到外界施加在‘皮膚’上的力信息�！敝袊茖W院合肥智能機械研究所研究員葛運建介紹說，“我們研究出來的‘人工皮膚’之所以不同凡響，是因為其可以連續(xù)檢測作用在它面上的來自多個方向的力信息�！�
“與前代的機器人‘人造皮膚’不同，以前的機器人皮膚或只能檢測一維力，即來自一個方向的力。要達到能檢測三維力，‘人造皮膚’則是由一塊一塊單獨的傳感器單元附著在一個柔性材料上組成的，就如同古代士兵穿的盔甲，每一個傳感器單元都不是柔性的，也不能實現(xiàn)完全的連續(xù)測量。這次推出的這種新型‘人造皮膚’，沒有單獨的傳感器單元，傳感器陣列是一個整體，就像是乒乓球拍上的海綿和汽車的輪胎，整體上非常柔軟，可以扭轉(zhuǎn)和拉伸打破了‘鎧甲’式陣列傳感器的缺陷，打個比方就像是乒乓球拍上的海綿和車帶的輪胎，是一種完全新型的三維柔性陣列觸覺傳感器�！备疬\建說。
葛運建進一步解釋說：“新型‘人工皮膚’的基體材料是一種新研制的可以流動成型的導電膠，制作工藝就好像澆注建房子的預制板，先搭建一個鋼筋的骨架，然后再灌入水泥和沙子使其成為一個整體，‘人工皮膚’就是在上下兩層布置了網(wǎng)格一樣的導電節(jié)點，中間灌入新型導電膠�！�
國內(nèi)外沒有相似的研究報道
據(jù)了解，目前這一領(lǐng)域研究十分活躍，國外美、英、日等發(fā)達國家非常重視機器人“皮膚”的研究工作。國內(nèi)一些院校研究所如清華大學、西安電子科技大學和哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所也先后開展了這方面的研究工作，但研究出的傳感器均沒有真正達到兼有人類皮膚的柔韌性和多維敏感性特征，且具有造價昂貴、信號處理復雜、柔性差、不適合大面積連續(xù)測量、制作工藝要求高等問題。
合肥智能機械研究所的這項成果不僅可以實現(xiàn)機器人既能敏感準確地感知外部環(huán)境，又能靈活自如地運動，與人安全自然的接觸交互，在具有良好壓敏特性的仿人體皮膚、利用納米材料對仿人體皮膚進行改性從而提高其多項性能、整體多層陣列式多維觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、建立多維力特征信息的處理模型、引入量子力學中的同倫算法實現(xiàn)新型柔性觸覺傳感器大規(guī)模陣列結(jié)構(gòu)的解耦算法等方面，均取得了突破性研究成果�！澳壳邦愃频淖龇ê统晒趪鴥�(nèi)外還沒有見過相似研究的報道。”
未來的應用前景廣闊
“在863重點項目‘可穿戴型助殘助老智能機器人示范平臺’中，‘人工皮膚’在其中的主要作用是起到力度檢測的作用，將‘人工皮膚’固定在老年人或者殘疾人的膝關(guān)節(jié)上，在助力機器人幫助老年人或殘疾人進行膝關(guān)節(jié)運動時，人工皮膚可以為助力機器人提供老年人或殘疾人膝關(guān)節(jié)所承受的力和彎曲程度信息，為助力機器人提供發(fā)力幫助，使得在助力機器人幫助下的殘疾人和老年人的活動更舒適順暢。”葛運建介紹說。
在應用上，“人工皮膚”還可以用來協(xié)助運動員進行鍛煉，在北京奧運備戰(zhàn)期間，智能所為國家田徑管理中心提供了一條可以檢測單維力的數(shù)字跑道，運動員在跑道上跑步時，通過數(shù)字跑道能夠知道運動員跑步時對跑道的壓力和步伐間隔。“如果將這種‘可以檢測三維力的人工皮膚’應用在跑道上，那么這種跑道不僅可以檢測出運動員跑步時對跑道的正壓力，而且能夠檢測出運動員跑步時橫向的搖晃以及后蹬力，從中發(fā)現(xiàn)影響運動速度的不當發(fā)力，可以更好地幫助運動員改進跑步姿態(tài)和訓練質(zhì)量，提高運動成績。”
新型人工皮膚的問世，可以使得機器人不僅有頭有四肢，而且還有肉有皮膚。不僅可望推動仿生機器人和服務(wù)機器人的發(fā)展，而且在航空航天、先進制造、體育訓練、康復醫(yī)療等諸多領(lǐng)域中，也具有廣泛的應用前景�！叭斯てつw”在具體民眾生活的應用上還有待提高。葛運建說：“目前我們的研究成果還只是原理性樣機。在提高其實用性、穩(wěn)定性、可靠性和通用性等方面都還有問題需要進一步研究和解決�！�
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