能夠感知觸覺的皮膚能夠提供自然且直觀的交互體驗(yàn)。然而，現(xiàn)有的人工皮膚設(shè)計(jì)在多功能性和可持續(xù)性之間存在取舍。在進(jìn)化生物學(xué)中，生物的形狀是由基因組成和外部環(huán)境共同決定的；類似地，材料的性質(zhì)源于基元組成和序構(gòu)方式。因此，材料特性的調(diào)節(jié)可以通過類遺傳學(xué)的方法進(jìn)行描述和實(shí)現(xiàn)。借鑒這一原理，人工皮膚有望樂高積木一樣靈活地重新配置組件。由此提出了一個(gè)新的設(shè)想——可以開發(fā)一種具有多種潛在的感知特性的類人皮膚系統(tǒng)，其部分功能可以通過材料基因的表達(dá)調(diào)節(jié)來選擇性改變。人工皮膚與材料基因概念的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)機(jī)器人皮膚系統(tǒng)的功能導(dǎo)向設(shè)計(jì)與持續(xù)性制造。
圖1 可變機(jī)器皮膚的設(shè)計(jì)概念圖
近日，北京科技大學(xué)前沿交叉科學(xué)技術(shù)研究院張躍院士和廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院廖新勤、陳忠等人從生物進(jìn)化中的基因表達(dá)原理中汲取靈感，開發(fā)了一種由同質(zhì)單元構(gòu)成的可變機(jī)器人皮膚。該人工皮膚通過可逆材料的誘導(dǎo)分化與熱水解回收，可以周期性地調(diào)整其固有特性，類似于生物體中的基因表達(dá)。與傳統(tǒng)的功能單一的傳感方案不同，這種設(shè)計(jì)允許源于組分的均質(zhì)材料基元僅通過誘導(dǎo)條件變化從而激活多種觸摸感知功能，比如位置、壓力和動(dòng)態(tài)觸覺等（圖1b）。這種可變性顯著提升了系統(tǒng)的多功能性和可持續(xù)性，降低了材料復(fù)雜性，并通過同質(zhì)化結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了不同功能單元的定制化組合（圖1f）。該工作以“Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。論文第一作者為廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生于世凡。
圖2 快速溶解和高強(qiáng)度的交聯(lián)滲透復(fù)合水凝膠
作者提出了一種交聯(lián)-滲透復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)：通過在本征聚乙烯醇（PVA）水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入第二相羧基化纖維素納米纖維（CCNF）滲透網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建復(fù)合網(wǎng)絡(luò)（圖2a-d）。復(fù)合網(wǎng)絡(luò)解決了一般可回收網(wǎng)絡(luò)無法兼顧高機(jī)械強(qiáng)度和可回收便利性的難題（圖2e-g）；谒z的機(jī)器人皮膚具有狀態(tài)可復(fù)原、性質(zhì)可繼承和功能可分化的三個(gè)特點(diǎn)，建立了生物組織基因表達(dá)與人工系統(tǒng)智能制造之間的聯(lián)系（圖i-k）。
圖3 觸覺定位層的設(shè)計(jì)與特性。
基于功能導(dǎo)向設(shè)計(jì)思路，水凝膠網(wǎng)絡(luò)被分化制造成兩層功能傳感層：觸摸定位層（TP層）和壓力感知層（PS層）。TP層由熱誘導(dǎo)聚合水凝膠制造。熱誘導(dǎo)聚合水凝膠具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性和低電信號漂移特性，從而更適用于機(jī)器人皮膚的觸摸定位層。作者采用四電極結(jié)構(gòu)，結(jié)合位置矯正算法，實(shí)現(xiàn)了大面積、全區(qū)域的高精度觸摸定位（圖3a-c）。基于超快響應(yīng)（<10ms）和超低誤差（均方誤差低于3%）的觸摸定位板展示了高精度觸摸定位、普適性手寫識別等功能（圖3d-i）。在回收復(fù)用制造后，傳感信號以及識別功能仍然保持（圖3j-k）。
圖4 壓力感應(yīng)層的設(shè)計(jì)與特性。
PS層有冷凍誘導(dǎo)聚合水凝膠制造。冷凍誘導(dǎo)聚合水凝膠的高離子導(dǎo)電率提升壓力感知信號、柔軟特性，更能賦予PS層更貼近皮膚組織的體驗(yàn)。作者采用結(jié)合半球形微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅提升了壓力感應(yīng)的靈敏度（圖4c-e）。PS層不僅能夠感知靜態(tài)壓力，還可以通過分析觸覺動(dòng)作的頻率和強(qiáng)度信號，區(qū)分不同的觸覺模式，如拍、打擊、撓等，這在觸覺互動(dòng)中的應(yīng)用潛力巨大（圖4f-g）。
圖5 觸覺互動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用場景
作者驗(yàn)證了兩種功能層協(xié)同工作能力？勺儥C(jī)器人皮膚能夠通過捕獲多種觸摸模式的觸覺信息（如拍打、撫摸等），并基于這些觸覺信號驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作（圖5a-d）。傳感模式集成實(shí)現(xiàn)融合觸覺信息的高效識別，可用于基于觸摸壓力與位置的人機(jī)觸覺交互。該系統(tǒng)僅需五個(gè)數(shù)據(jù)通道就可以傳輸全面積內(nèi)的觸摸位置和壓力信息，通過結(jié)合位置信號與壓力信號的多模態(tài)分析，顯著提升了對復(fù)雜觸覺運(yùn)動(dòng)的識別精度（高達(dá)97.25%）（圖5e-j）。這一系統(tǒng)展現(xiàn)了可變機(jī)器皮膚在交互場景中的高效信息處理和反饋能力，在教育娛樂、智能機(jī)器人和仿生義肢等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
這項(xiàng)工作提出了一種可改變的機(jī)器人皮膚，其傳感單元具有高度的自由度，可以重新排列特征圖案并按需更新傳感機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)卓越的功能可擴(kuò)展性和可持續(xù)性。交聯(lián)-滲透復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)在保證高機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)降低溶解條件。它具有可恢復(fù)性、可遺傳性和可分化性三大特征，使材料的屬性表達(dá)能夠在溫度及其他交聯(lián)誘導(dǎo)環(huán)境下直接驅(qū)動(dòng)。屬性的廣泛可調(diào)性為TP層和PS層帶來了高指向性的功能增強(qiáng)，可用于超分辨率坐標(biāo)映射、高精度手寫交互和高效的觸摸模式分類。傳感單元允許獨(dú)立響應(yīng)單個(gè)傳感模式而不受干擾，因此可變機(jī)器人皮膚在通過多維觸摸差分理解交互意義方面達(dá)到97.25%的準(zhǔn)確性。這些特性有助于改善基于觸覺感知的多樣化交互體驗(yàn)，在雙向HRI、仿生假肢和多模態(tài)控制系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202416984
