大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載機(jī)器人大講堂

想要自如地操縱一臺(tái)機(jī)械臂，只需在手臂貼上一片薄薄的‘電子皮膚’。

通過自己的肌肉運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)器人，看起來是不是超酷！如果不想貼在手臂上，那貼脖子上試試：

你抬一下頭，機(jī)械臂也跟著抬一下，不過這時(shí)間長了估計(jì)頸椎受不了，還是換回手臂上吧。

這片薄薄的‘電子皮膚’不僅能讓機(jī)械臂像是長在自己身上一樣控制自如，還能讓機(jī)器人擁有多維度的感知能力！

這種感知包括接近、觸覺和溫度感知，機(jī)器人還能夠感受到現(xiàn)場的有毒物質(zhì)，如爆炸物、新冠病毒等，并通過實(shí)時(shí)觸覺和威脅警報(bào)反饋通信給人類，比如讓機(jī)器人去抓一個(gè)雞蛋，如果抓得太緊有壓碎蛋殼的危險(xiǎn)，你的皮膚會(huì)感到“有點(diǎn)刺痛”。

這是一種由AI驅(qū)動(dòng)的人機(jī)交互多模式傳感機(jī)器人系統(tǒng)  (M?Bot)，來自加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉（Wei Gao）教授研究團(tuán)隊(duì)，并登上了《Science Robotics》期刊六月的封面，文章標(biāo)題為“All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing”

M?Bot的核心是兩片水凝膠“電子皮膚”：e-skin-R和e-skin-H，二者可形成一個(gè)閉環(huán)人機(jī)交互機(jī)器?傳感系統(tǒng)。一片貼在機(jī)器人手指上，用于感知和檢測周圍環(huán)境；另一片貼在人類皮膚上，用于機(jī)器人的手部控制。

自研納米墨水打印電子皮膚，讓機(jī)械手能檢測新冠病毒

在e-skin-R中，嵌入在水凝膠中的是傳感器通過噴墨打印在皮膚上，就像噴墨打印機(jī)將文本打印到一張紙上一樣，這里可不是普通的墨水，而是團(tuán)隊(duì)自開發(fā)的多種納米材料墨水，可以低成本的將多種納米材料等修飾在柔性基底上，并構(gòu)建相應(yīng)物理及化學(xué)傳感器。

通過將銀納米線修飾在具有特殊表面結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，構(gòu)建壓阻式壓力傳感器，可以賦予機(jī)械手觸覺感知；

同時(shí)，修飾鉑納米粒子參雜的石墨烯和MOF-808/金納米粒子的兩種電化學(xué)傳感器，在水凝膠幫助下能夠分別原位檢測微量的TNT與有機(jī)磷。針對新冠病毒檢測，研究團(tuán)隊(duì)在噴墨打印的碳納米管基礎(chǔ)上，修飾有相應(yīng)的新冠病毒突刺抗體，通過電化學(xué)信號(hào)的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)對新冠病毒的原位實(shí)時(shí)檢測。

用自己的皮膚實(shí)時(shí)接收反饋

e-skin-H充當(dāng)人機(jī)交互界面，由四個(gè) sEMG 電極陣列（通道）和?對電刺激電極組成，可以收集生理數(shù)據(jù)，采集通過肌肉收縮產(chǎn)生的表面肌電（sEMG）信號(hào)。

在信號(hào)采集后，使用KNN模型解碼肌電信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)意圖，手腕的簡單輕彈即告訴機(jī)械臂向上或向下移動(dòng)，人類手指的握緊或張開會(huì)促使機(jī)械手做出類似的動(dòng)作；機(jī)器?可以在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)模仿人類的手勢，研究人員訓(xùn)練了包含上，下，左，右，抓握，伸張等六種手勢，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂及機(jī)械手的準(zhǔn)確操控。

在機(jī)械臂向下移動(dòng)到過程中，激光距離傳感器首先被觸發(fā)，反饋給系統(tǒng)，表明機(jī)械手下方有待測物體存在，同時(shí)降低移動(dòng)速度以免過快接觸而造成損傷。當(dāng)機(jī)械手識(shí)別到物體接觸，可以激活觸覺和警報(bào)反饋，使用兩個(gè)刺激電極之間的脈沖電流負(fù)載來通知人類，人類會(huì)感受到皮膚上的溫和電刺激——“有點(diǎn)刺痛”。

在下一步進(jìn)行抓握手勢后，機(jī)械手抓住被測物體。在抓握動(dòng)作完成后，又有多個(gè)壓力傳感器被觸發(fā)，并同時(shí)啟動(dòng)相應(yīng)位置的電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器對于所觸碰的位置進(jìn)行原位檢測，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱計(jì)算出相應(yīng)位置的有害物質(zhì)濃度，并得到有害物質(zhì)在物體表面的分布情況。

未來將提高電子皮膚壽命

在賦予機(jī)器人感知能力時(shí)，多數(shù)研究都將焦點(diǎn)集中在物理信號(hào)的感知，如觸覺（壓力）傳感，溫度傳感等；如果能夠增加環(huán)境中的化學(xué)樣品以及生物樣品的檢測，那將大幅提高機(jī)器人感知的應(yīng)用范圍，讓機(jī)器人代替人類判斷有害物質(zhì)的種類及濃度，以避免人類潛在的暴露風(fēng)險(xiǎn)。

高偉（Wei Gao）教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的M?Bot，包含了壓力，溫度，化學(xué)信號(hào)及生物信號(hào)等多模式傳感，在監(jiān)測壓力與溫度的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對爆炸物（TNT），神經(jīng)毒氣（有機(jī)磷），病毒（新冠病毒）等有害物質(zhì)的高靈敏度原位檢測。

除了機(jī)械臂，這種技術(shù)還被用在了多模式傳感機(jī)器?船 (M-Boat)上，來檢測水下化學(xué)品泄漏，可以識(shí)別泄露源的空間位置，實(shí)時(shí)檢測周圍分析物濃度，還能夠在海水中執(zhí)行連續(xù)的危險(xiǎn)分析和自主泄漏跟蹤。

“我認(rèn)為我們已經(jīng)展示了概念驗(yàn)證，” 高偉（Wei Gao）教授表示?！暗覀兿Ｍ岣哌@種機(jī)器人皮膚的穩(wěn)定性，使其使用壽命更長。通過優(yōu)化新墨水和新材料，我們希望它可以用于不同類型的目標(biāo)檢測，并將它放在更強(qiáng)大的機(jī)器人上，讓它變得更聰明”。