新型電子手套：讓機(jī)器人擁有觸覺

近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)的工程師們開發(fā)出一種含有傳感器的電子手套。有朝一日，這些傳感器將賦予機(jī)器人手更大的靈巧性，而這種靈巧性在人類看來(lái)是理所當(dāng)然的。

在一篇于11月21日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人學(xué)（Science Robotics）》期刊上的論文中，化學(xué)工程師 Zhenan Bao 及其團(tuán)隊(duì)演示了這種傳感器。它工作得很好，足以使機(jī)器人手能夠觸摸嬌嫩的漿果，以及握住一個(gè)乒乓球，重點(diǎn)是不會(huì)壓扁它們。Bao 表示，手套指尖中的傳感器同步測(cè)量壓力的強(qiáng)度與方向，這兩個(gè)物理量對(duì)于實(shí)現(xiàn)靈巧的動(dòng)手能力來(lái)說(shuō)是不可或缺的。研究人員們必須繼續(xù)完善這項(xiàng)技術(shù)，從而自動(dòng)控制這些傳感器。當(dāng)他們使這項(xiàng)技術(shù)變得完美時(shí)，穿戴這種手套的機(jī)器人將能夠在拇指和食指之間靈巧地握住一個(gè)雞蛋，而不會(huì)壓扁它們或者讓它們滑落。

這種電子手套模仿了人類皮膚各層一起工作的方式，這種方式賦予我們的雙手非凡的感知能力。我們皮膚的外層充滿可檢測(cè)壓力、熱量和其他刺激的傳感器。我們手指和手掌含有非常豐富的觸摸傳感器。這些傳感器與皮膚的一個(gè)子層，也稱為“棘層”，一起工作。棘層的微觀“地貌”充滿“山丘”和“山谷”，顯得崎嶇不平。這種崎嶇不平非常重要。當(dāng)我們的手指觸摸物體時(shí)，外層的皮膚會(huì)靠近棘層。較輕的觸摸會(huì)被靠近“山頂”的傳感器感受到。而更大的壓力會(huì)迫使外層皮膚陷入棘層的“山谷”中，觸發(fā)更加強(qiáng)烈的觸覺感知。

可是，測(cè)量壓力的強(qiáng)度只是棘層功能的一部分。這一崎嶇不平的子層也有助于揭示壓力或剪切力的方向。例如，手指向北壓，會(huì)在這些微型“山丘”的南坡上制造出強(qiáng)烈的信號(hào)。這種感知剪切力的能力，成為了幫助我們?cè)谀粗概c食指之間溫柔而又牢固地握住雞蛋的關(guān)鍵。

機(jī)器人手套指尖上的每個(gè)傳感器，都是由三個(gè)在一起協(xié)力工作的柔性層組成。頂層與底層都是電活性的。研究人員在兩個(gè)表面的每一面上都放置了電線網(wǎng)絡(luò)，就像田里的一行一行的莊稼，并且使這些行相互垂直，創(chuàng)造出密集的小型感知像素陣列。他們也讓底層像棘層一樣崎嶇不平。

中間的橡膠絕緣子將頂層與底層的電極簡(jiǎn)單地分開。然而，這種分隔很關(guān)鍵，因?yàn)橄嗷タ拷植幌嗷ビ|摸的電極能存儲(chǔ)電能。機(jī)器人手指壓下時(shí)，頂層的電極被壓得靠近地底層，存儲(chǔ)的能量相應(yīng)增加。底層的“山丘”和“山谷”提供了一種將壓力的強(qiáng)度與方向映射到垂直網(wǎng)格中的特殊點(diǎn)的方法，這種方法很像人類皮膚。