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你見過能靈活夾取雞蛋、可取可放的機器人嗎？

不僅如此，甚至還能穿針引線：

就算是往它拿著的瓶子里倒水，也不會掉：

這是來自香港城市大學、香港大學、CMU和南方科技大學的科學家，聯手打造出的一款機器人觸覺皮膚，效果堪比人類皮膚——

不僅可以精準感知到力度方向和大小，還能準確定位外界刺激的位置。

目前，這一研究成果已登上Science子刊《Science Robotics》。

這樣神奇的觸覺皮膚，究竟是怎么做出來的？

將AI與磁性薄膜結合

首先，這種磁性皮膚，用到了一種基于磁性薄膜的觸覺傳感器，來感知力的大小與方向。

這種觸覺傳感器的核心，由一層經過單面多級正弦磁化的磁膜、以及嵌在印刷電路板上的霍爾傳感器構成。

經單面多級正弦磁化后的磁體，又被稱作Halbach陣列，它的特點是在削弱一側磁場的同時，能極大地增強另一側磁場。

論文一作閆友璨發現，這種陣列還有一種特殊性質，使得磁膜能互不干擾地測量正壓力和切向力，使得受力反饋更精確。

這種技術，多被用于磁懸浮列車、粒子加速器、電磁炮等領域（冰箱貼也是類似的原理）。

當外力施加在磁膜上時，霍爾傳感器將測量到由磁膜變形所引起的磁場變化，進而測量出施加外力的大小和方向。

當然，磁膜和霍爾傳感器之間，可以填充不同厚度和彈性的硅膠，來調節傳感器的靈敏度和量程。

這就完了？

當然不，這種磁性皮膚，還用到了深度學習的算法，來更加準確地定位外界刺激。

而且，與人類皮膚一樣，這種定位的精度可以超越傳感器自身的物理分辨率（兩個傳感單元之間的距離），即達到所謂的超分辨率。

磁性皮膚會先通過霍爾傳感器，大致分析出小球的施力位置在S5領域的右上角。

然后，再通過神經網絡進行定量計算，將小球的接觸位置定位到S5右上角的坐標（X,Y）處。

這種方法確認的定位精度，可以達到0.1毫米，分辨率為6毫米傳感單元間距的60倍。

做出來的磁性皮膚，效果如何呢？

定位精度堪比人類皮膚

這個觸覺皮膚，不僅能實時反饋受力情況、自適應抓取易碎物體，還能根據受力變化和定位精度，及時調整力的大小和方向。

例如，在夾取雞蛋的時候，如果遇到人類外力扯拽，機械手則會自動增大夾持力；而如果松手的話，機械手也會逐漸松開夾爪，避免雞蛋被夾碎。

這種根據力反饋，來改變施力大小的實驗，在注水實驗中體現得更加明顯。

如果有了力反饋，夾爪在夾住瓶子的時候，就能根據瓶子注水的重量來改變用力大小，使得水瓶不至于滑落。

但如果關閉這種能反饋力度的觸覺功能，瓶子注水到一定程度，就從夾爪中滑落了。

不僅受力大小、方向的反饋非常精準，這款觸覺皮膚對外界刺激的定位，也非常精確。

例如，通過遠程按壓觸覺皮膚，就可以遙控機械夾爪，輕輕松松將發絲細度的針線穿過針眼。

據論文作者表示，他們利用深度學習，將超分辨率提升到了60倍，堪比人類皮膚約40倍的超分辨率。

作者表示，這款皮膚極大地減少了機器人皮膚中的傳感單元和布線，提升了智能皮膚的易用性。

或許，將來用上這款皮膚的智能機器人，也能擁有和我們一樣的觸覺了~

作者介紹

論文一作閆友璨，是香港城市大學的博士生，研究方向為機械與生物醫學工程。

這項工作，由來自香港城市大學生物醫學工程系的申亞京教授課題組、和香港大學計算機系的潘佳教授課題組共同完成。

其中，申亞京、潘佳為論文的共同通訊作者。

團隊的其他成員，則分別來自香港城市大學、CMU和南方科技大學。

論文地址：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eabc8801

參考鏈接：
https://scholar.google.com/citations?user=eY8D8JYAAAAJ&hl=en