斯坦福大学研发触觉手套:机械手臂也可模拟人

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  近日,斯坦福大学研发了一款触觉反馈手套,能够显著提高机器人的灵活性,给机器人带来和人类一样的触觉。如此一来,机器人能够更好地为人类服务,大幅提高工作效率。

  斯坦福大学化学工程系教授鲍哲南及其团队发表在《科学机器人(Science Robotics)》上的一篇论文中,他们证明了触觉手套上搭载的传感器能够允许机器人手臂去触碰易碎的树莓,也可以拿起乒乓球,但机器人并不会将树莓和乒乓球挤爆。

  位于手套指尖的传感器能够同时感应压力的强度和方向,以模拟人类手指的运动,提高灵活度和灵敏度。他说道:“这项技术帮助我们发现了在未来某一天使机器人模拟如人类皮肤一样的感知能力的可能性。”

  这种触觉手套旨在模拟人体皮肤层的工作方式,从而为手套带来超凡的灵活度。我们外层皮肤充满了“传感器”(感觉神经),可以检测压力,热量和其他刺激。而这款手套搭载了触觉传感器”,能够感知手指和手掌的压力,并能够与名为棘层的皮肤子层一起工作。

  位于皮肤基底层前面的棘层至关重要。当我们的手指触碰一件物品时,皮肤外层将更接近于棘层。位于棘层最上方的感觉神经将能知觉到轻微的触感。更强烈的压力将迫使皮肤外层进一步靠近棘层,触发更多的感觉神经,从而引发更强烈的触感。

  博士后学者Clementine Boutry与硕士研究生Marc Negre共同带领团队开发了模仿这种人体机制的电子传感器。手套指尖上的每一个传感器由三个相互配合的柔性层构成。位于顶部和底部的柔性层具有电活性。

  研究人员在这两个层各铺设了一排电线,然后将这些线相互垂直,形成密集的小传感像素阵列。底层可将压力的强度和方向映射到垂直网格上的特定点,使其就像人类的皮肤一样。这种感知能力是我们能用拇指和食指将鸡蛋轻轻夹起的部分原因。

  中间的橡胶绝缘体简单地保持顶层和底层电极分开。但是这种分离是至关重要的,因为接近而没有接触的电极可以存储电能。当机器人手指向下压,将上电极挤压到更靠近底部时,储存的能量会增加。

  鲍教授表示,通过适当的编程,一只戴着这种触觉感应手套的机械手可以完成一些重复性的工作,比如把鸡蛋从传送带上拿下来并放进纸盒里。

  为了测试他们的技术,研究人员将他们的三层传感器放在橡胶手套的手指上,并将手套戴在机器人手上。最终目标是将传感器直接嵌入到机器人手的皮肤状覆盖物中。在一项实验中,他们编写了戴手套的机器人手轻轻触摸树莓而不损坏它。他们还通过使用传感器检测适当的剪切力来抓住球而不掉落球,然后对戴手套的手进行编程以提升并移动乒乓球而不将其击碎。

  鲍教授及其团队的最终目标是,开发出一种无需预先编程,即可自动施加适当力量并安全地处理物体的先进手套。鲍哲南教授表示:“我们可以给机器人编程,让它在不压碎树莓的情况下触摸树莓,但距离机器人能触摸到树莓并检测出它是树莓,然后把它捡起来,我们还有很长的路要走。”

  研究人员正在完善技术,以支持其自动控制传感器。如果能够实现,穿戴这种手套的传感器将能灵活地用拇指和食指来握持树莓,并且不会挤碎或脱落。