夜行昆蟲憑借柔韌的觸角，在黑暗中自如導航、感知周圍環(huán)境，甚至探測微小紋理。你是否想過，機器人也能擁有這樣的“超能力”？香港科技大學等合作團隊受此啟發(fā)，研發(fā)出一款仿生電子觸角傳感器（E-Antenna），讓機器人通過觸覺“看清”世界！這項突破性成果以“A robust and omnidirectional-sensitive electronic antenna for tactile-induced perception”為題目已發(fā)表于頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。
在機器人觸覺傳感領域，研究人員開發(fā)了各類性能卓越的仿生電子皮膚，實現(xiàn)了類皮膚性質的高分辨率高精度觸覺傳感能力（如基于視覺的Gelsight，磁性皮膚、離子傳感皮膚、自發(fā)電傳感皮膚等），成功輔助機器人完成以自適應抓取和人機交互為核心的應用。
然而，自然界中，除用于被動感知的平面類型的皮膚之外，還有一類用于主動感知的系統(tǒng)，如人類細長的手指、貓的胡須等。特別的，自然界中視力退化的夜行昆蟲/動物進化出了細長柔韌的觸角/觸須形態(tài)的觸覺系統(tǒng)，使其能夠主動探索和感知環(huán)境信息。例如，蟑螂利用觸角在黑暗中沿墻快速移動，感知障礙物并調整方向；海豹通過觸須探測氣流和溫度變化，精準定位獵物；魚類則依靠側線系統(tǒng)的細小觸毛感知水流方向。而這種“主動”對環(huán)境的探知能力，是目前機器人缺乏且亟須的。
就人造觸覺傳感器而言，機械魯棒、全向靈敏感知、靈活集成被認為是其廣泛應用的關鍵前提。然而，要同時實現(xiàn)這三大特性仍面臨巨大挑戰(zhàn)。由于感知精度、精巧設計和機械魯棒性等因素之間的相互制約，現(xiàn)有技術難以打造出兼具高魯棒性、全向靈敏感知和靈活集成的觸覺傳感器，這一挑戰(zhàn)也限制了人造觸覺傳感器在機器人系統(tǒng)上的部署。
拓展機器人觸覺系統(tǒng)形態(tài)，提出機械魯棒全向靈敏感知的仿生電子觸角系統(tǒng)
為攻克這一難題，來自香港科技大學MIRS實驗室（Multi-I Robotic System Lab）等合作團隊的研究人員從自然界汲取靈感，開發(fā)了一種受夜行昆蟲觸角啟發(fā)的電子觸角系統(tǒng)（E-Antenna）。該電子觸角具備卓越的機械魯棒性、全向靈敏感知和靈活機器人系統(tǒng)適配能力，能夠承受1800度的扭轉、224%的拉伸和360度的彎折。搭配模仿昆蟲的主動觸覺感知算法，研究人員展示了電子觸角成功輔助移動機器人實現(xiàn)高精度無視覺導航，地面紋理識別，以及輔助操作機器人實現(xiàn)彎曲表面上的共形操作。
圖1 仿生電子觸角系統(tǒng)設計與機器人集成應用概覽
在系統(tǒng)化的理論建模指導下，研究團隊進一步采用非均勻剛度分布和部分磁化策略提升了電子觸角的靈敏度和方向感知能力，實現(xiàn)了全向不高于1.76° 誤差的方向感知精度，比生物觸角高出 約17 倍。
此外，研究團隊還驗證了電子觸角的動態(tài)感知與傳感一致性。結果顯示，在動態(tài)響應中，其對動態(tài)刺激的振幅和頻率的感知線性度高達0.9979，能夠精確追蹤三角波和方波刺激。在一致性測試中，電子觸角在經(jīng)歷3500次循環(huán)測試后仍保持穩(wěn)定的感知能力。
圖2 優(yōu)化設計方案
在機械魯棒性方面，電子觸角也展現(xiàn)了令人印象深刻的性能：它能夠承受高達1800°的扭轉、224%的拉伸以及360°的彎曲，甚至還能在承受遠超自重數(shù)百萬倍的擠壓力或針刺穿透后依然能迅速恢復原有形狀并保留傳感功能。這種超強的機械魯棒性使其在動態(tài)環(huán)境中面對劇烈形變或意外損傷時仍能保持可靠運行。
圖3 精確傳感與卓越機械魯棒性
AI輔助的主動觸覺感知策略
受啟發(fā)于生物以觸角為中心的主動觸覺探索策略，研究人員將電子觸角集成于機器人平臺上通過主動運動來探索環(huán)境，以捕捉更豐富的空間特征。隨后，使用滑動窗口動態(tài)構建保留接觸事件時間依賴性和上下文信息的連續(xù)觸覺事件鏈，并將此連續(xù)信息輸入多層時序神經(jīng)網(wǎng)絡進行感知分析，解析得到環(huán)境的信息。研究人員在基于觸覺的界面曲率識別任務上驗證了該策略的有效性，得到了平均誤差小于0.9°高精度曲率識別結果。
圖4 AI輔助的主動觸覺感知策略與曲面識別性能
無視覺輔助的接觸式導航
在視覺受限或完全無光環(huán)境中，觸覺導航系統(tǒng)展現(xiàn)出不可替代的核心價值。以夜行昆蟲為例，這些生物在完全黑暗的環(huán)境中僅依靠觸覺感知就能實現(xiàn)精準墻壁跟蹤和障礙物感知。作為視覺系統(tǒng)的補充，研究人員展示了電子觸角在增強移動機器人觸覺感知以實現(xiàn)類生物墻壁跟隨導航的能力，達到了2.04毫米波動范圍的蛇形墻壁跟隨精度。
圖5 電子觸角賦予移動機器人觸覺感知能力實現(xiàn)類生物的沿墻導航
基于觸覺的地面紋理識別
當前移動機器人技術面臨著一個普遍性難題——地面紋理的精確感知，這一挑戰(zhàn)在家用清潔機器人領域尤為突出。由于缺乏有效的表面識別能力，傳統(tǒng)清潔設備往往無法根據(jù)地面材質調整工作模式，不僅導致清潔效率低下，更可能對地毯、實木地板、大理石瓷磚等地面造成不可逆的損傷。針對這一問題，研究人員將電子觸安裝到移動機器人的底部，輔助機器人實現(xiàn)了對地面紋理的實時檢測。在地毯，木紋瓷磚，木地板上的識別準確度達到了97.3%，為智能清潔機器人提供了可靠的潛在紋理感知解決方案。
圖6 電子觸角賦予移動機器人實時地面感知能力
觸覺賦能操作機器人實現(xiàn)恒力共形操作
建筑機器人作為解決行業(yè)勞動力短缺和提升工作效率的重要技術手正受到越來越廣泛的行業(yè)關注。然而，這類機器人在執(zhí)行需要精確接觸感知的任務時仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是在視覺系統(tǒng)無法提供準確反饋信息的工況下。以未知曲面上的保形刷洗或者刷涂作業(yè)為例，這項對人類操作者而言相對簡單的工作，對機器人系統(tǒng)卻構成了嚴峻考驗。問題的核心在于難以精確獲取柔性刷毛與曲面之間的接觸狀態(tài)信息，由于柔性刷毛與剛性機械臂之間的力傳導存在顯著失真，傳統(tǒng)安裝在工具法蘭上的力傳感器無法提供及時準確的柔性工具接觸端的反饋，導致刷洗/刷涂力度波動大、表面覆蓋率低下等突出問題。針對這一挑戰(zhàn)，研究人員將電子觸角直接嵌入刷子刷毛內(nèi)，使其與刷毛同時偏轉以檢測接觸狀態(tài)和評估接觸力。最終實現(xiàn)了在具有三個凸起部分的蛇形表面上全覆蓋、維持穩(wěn)定恒力操作（誤差0.34N）的共形刷涂實驗。
圖7 電子觸角賦予操作機器人恒力共形操作能力
總結來說，這項研究探索了仿生觸角形態(tài)的人造觸覺傳感器在機器人系統(tǒng)中的部署于應用，提出的電子觸角成功輔助移動機器人實驗了基于觸覺的環(huán)境感知，并輔助操作機器人實現(xiàn)了具有挑戰(zhàn)性的曲面共形操作。
正如來著港科大MIRS實驗室的論文第一作者任豪所說：“我們的目標是開發(fā)魯棒人造觸覺傳感器增強機器人環(huán)境感知的能力，輔助機器人完整更具挑戰(zhàn)性的任務。未來我們會以任務為導向繼續(xù)探索電子觸角與其他傳感器的集成融合以及更多的柔性感知應用。”
香港科技大學申亞京教授為本研究的通訊作者；來自MIRS實驗室的博士研究生任豪為本研究第一作者。其他合作研究人員包括楊柳教授、張宏遠、張鐵山、李根、楊雄、唐一峰以及尚萬峰教授。該工作受到香港研究資助局、國家自然科學基金/研究資助局聯(lián)合基金，以及廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助。
參考文章：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58403-3
