德国科学家开发出一种新型高效电子皮肤 帮助机器人获得人类般真实触觉

图片来源：A. Eckert / TUM.

德国慕尼黑工业大学的研究人员最近开发了一种电子皮肤，可以帮助机器人再现人类的触觉。在MDPI的《传感器杂志》上发表的一篇论文中，这种电子皮肤比其它现有的电子皮肤所需的计算能力要少得多，因此可以应用于机器人身体的更大部分。

“我们开发电子皮肤的主要动机源于自然，并集中在我们人类如何与周围环境互动的问题上。”进行这项研究的研究人员之一Florian Bergner告诉TechXplore，“虽然人类主要依赖视觉，但一旦接触涉及到互动，我们的触觉就很重要。我们相信，赋予机器人触觉可以扩大机器人与人类之间的互动范围，使机器人更加协作、安全和有效。”

Bergner和Gordon Cheng教授领导的其他研究人员已经开发电子皮肤大约十年了。最初，他们试图实现具有类似人类皮肤的多模态感知能力的电子皮肤系统。换句话说，他们试图创造一种可以感知轻触、压力、温度和振动的人造皮肤，同时有效地将其感知分布在触觉交互发生的不同地方。

“人类不仅能辨别不同的触摸，还能辨别触摸发生的位置。” Bergner说，“除了复制这种能力，电子皮肤系统还应该承受物理接触的压力，具有可扩展性，并以最小的努力支持集成。”

Bergner和他的同事们开发的新型电子皮肤系统是由六边形的传感模块组成的。每个模块大约是2欧元硬币的大小。当它们连接在一起时，就形成了可弯曲的人造皮肤或皮肤补丁，可以附着在各种平面或曲面上。 

到目前为止，可以应用于大面积表面的电子皮肤在一次性检测到的触摸信息数量方面存在明显的局限性。另一方面，Bergner和他的同事开发的电子皮肤系统保留了高级的传感能力，而不需要大量的计算能力。

Bergner说:“传统的信息处理导致对计算能力的高要求、高功耗、高信息传输率、信息丢失和延迟。”“另一方面，人类可以毫不费力地处理大约500万个皮肤感受器收集到的触觉信息。在我们最近的研究中，我们问自己:人类的触觉是如何做到这一点？我们如何利用神经科学的发现来减轻我们的电子皮肤系统的局限性?”

人类皮肤上的感受器不是不断地向大脑发送信息，而是趋向于保持不活动，直到它们检测到触摸压力、温度或振动的变化。当它们探测到一种变化时，这些感受器就会触发尖峰脉冲，通过神经纤维到达大脑。

这个过程的结果是，人类的皮肤只给大脑提供了与触摸相关的新信息。Bergner和他的同事深入研究了这一生物过程，并试图在电子皮肤系统中复制它。

“在我们的系统中，每个人造皮肤细胞都监控自己的传感器，以检测变化。” Bergner解释说，“当它们检测到足够大的变化时，皮肤细胞就会向电脑报告新的信息，如果没有，它就会进入睡眠模式。这一操作大大降低了对计算能力的要求。”

Bergner和他的同事开发的电子皮肤系统是可扩展的、高效的和灵活的。最初的测试显示，它可以在不需要定制硬件、只使用标准计算机的大表面积系统中处理与触摸相关的信息流。

Bergner和他的同事们成功地将他们的电子皮肤应用于H1，一个人类大小的机器人。他们能够使用1260个皮肤细胞覆盖整个身体，其中包括超过10000个传感器，这是以前从未做过的。 

“H1型机器人只能通过机载系统进行自动操作。” Bergner解释说，“多亏了我们新奇的电子皮肤，使皮肤细胞覆盖它成为可能，它减少了大约80%的计算负载。更传统的电子皮肤会完全饱和H1系统，导致延迟和持续约25%的信息丢失。”

在未来，高效的电子皮肤可以为各种各样的机器人提供增强的触摸功能。除了增加人机交互的安全性(这在工业或医疗环境中尤其有价值)外，电子皮肤细胞还可用于开发新的技术工具，如触摸感应假肢、智能物体或传感服。

“在解决了处理大面积电子皮肤触觉信息的挑战之后，我们现在可以着眼于缩小皮肤细胞的尺寸，从而达到更高的传感密度。”Bergner说，“H1拥有大面积的电子皮肤，现在可以让我们研究人机交互和全身控制。另一个有趣的研究方向可能是研究新奇驱动的触觉信息，以增强感知和控制算法。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://techxplore.com/news/2020-04-highly-efficient-e-skin-robotic-applications.html