微納光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)類人觸覺感知追尋“一束光”的潛力

■ 何冬健

供圖/視覺中國

編者按

硬核科技是展現(xiàn)國家科技硬實(shí)力的重要窗口，為產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展注入內(nèi)生動力和創(chuàng)新活力。在新一代信息技術(shù)、光電芯片、人工智能、航空航天、生物技術(shù)、新材料、新能源、智能制造等領(lǐng)域，涌現(xiàn)出越來越多的硬核科技，推進(jìn)浙江省向創(chuàng)新強(qiáng)省邁進(jìn)。本欄目將立足時(shí)空維度、貫穿行業(yè)視角、錨定前沿發(fā)展，聚焦事關(guān)浙江發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域核心技術(shù)和創(chuàng)新成果，彰顯浙江科技“硬”力量、打造浙江科技“硬”品牌。

有了微納光纖的加持，在不遠(yuǎn)的未來，我們也許可以看到機(jī)器在體內(nèi)復(fù)雜腔道中自由‘游動’，中風(fēng)患者在康復(fù)治療中擁有了外骨骼，生命科學(xué)研究者可以抓取微米級細(xì)胞……

觸覺有多重要？機(jī)器人是怎么實(shí)現(xiàn)觸覺的？這項(xiàng)技術(shù)能給我們的生活帶來怎樣的變化？

具有類人觸覺感知能力的“光子皮膚”、高性能光致動微型機(jī)器人夾爪……之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心觸覺感知研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過兩年多潛心研究，率先提出了基于微納光纖的觸覺感知與再現(xiàn)研究新思路，技術(shù)成果“激起千層浪”，讓國內(nèi)外學(xué)者直呼“驚喜”。

傳遞觸覺的“特殊道路”

我們對這個(gè)世界最初的感知通常是從觸覺開始的。第一聲啼哭之前，嬰兒經(jīng)歷過誘發(fā)哭聲的拍打；成長中提筆、拍球；生活中握手、敲擊鍵盤、使用手機(jī)……觸覺充斥于我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

2021 年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了美國科學(xué)家大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安，表彰理由正是他們發(fā)現(xiàn)了“溫度和觸覺的受體”。

當(dāng)然，相較于視覺和聽覺等其他感官研究，觸覺研究相對滯后，主要原因在于其感知機(jī)制、復(fù)現(xiàn)和數(shù)字化進(jìn)程困難重重。在人工智能迅速發(fā)展的今天，如何實(shí)現(xiàn)“類人觸覺感知”，已成為當(dāng)今科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

微納光纖是之江實(shí)驗(yàn)室著力探尋的技術(shù)路徑之一。作為一種新型光波導(dǎo)，微納光纖的直徑是頭發(fā)絲的幾十到幾百分之一，具有獨(dú)特的光學(xué)和力學(xué)特性，被譽(yù)為“下一代光纖”。在這樣一個(gè)直徑范圍內(nèi)，它傳輸光的特性會發(fā)生明顯改變——很大一部分光以一種叫倏逝場的特殊形式在微納光纖表面?zhèn)鬏敗?/p>

“微納光纖外圍的強(qiáng)倏逝場對外界微弱壓力或溫度刺激非常敏感。比如一片飄落的羽毛、一段悠揚(yáng)的音樂，或者是人體無法分辨的0.01℃的溫度變化，都會造成封裝在柔性薄膜中微納光纖輸出光譜的顯著改變，這使得微納光纖很適合制作高靈敏的觸覺傳感器。”之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心研究專家張磊說。

微納光纖由標(biāo)準(zhǔn)光纖通過加熱拉伸獲得，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)中間細(xì)、兩端粗?！爸虚g那部分就是微納光纖，我們用它來感受外界的微弱刺激；而兩邊未拉伸的部分是標(biāo)準(zhǔn)光纖，起到傳輸信號的作用?！睆埨谡f。

目前，在突破微納光纖可控制備和柔性封裝等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)搭建了一套基于微納光纖傳感器的機(jī)器人觸覺感知系統(tǒng)，研究力、溫度、濕度、硬度和紋理傳感等類人觸覺感知技術(shù)。

也許在未來的某一天，你與朋友相隔千里，但只要使用這項(xiàng)類人觸覺感知技術(shù)，也可以實(shí)時(shí)感受“握手”和“擁抱”。

模仿多種知覺的感受器

既然是模仿人類的觸覺系統(tǒng)，那么這套設(shè)備是如何工作的呢？

對人類來說，當(dāng)人體皮膚感受到觸摸帶來的壓迫時(shí)，馬上會發(fā)出一個(gè)微小的信號，這個(gè)信號會隨神經(jīng)纖維到達(dá)大腦，大腦可以馬上感受到這次觸摸并分辨出觸摸的大小和位置。

模仿人類觸覺系統(tǒng)的工作原理，手部觸覺可以增強(qiáng)機(jī)器人物體識別和靈巧操作的能力，體表觸覺可以讓機(jī)器人在人機(jī)共存時(shí)具備更好的協(xié)作性和安全性，而足底觸覺則可以提高機(jī)器人的平衡性、機(jī)動性和適應(yīng)性。

“傳感器是機(jī)器人從環(huán)境中獲取信息的媒介，感知是智能機(jī)器人工作閉環(huán)中的第一步?！敝瓕?shí)驗(yàn)室類人感知研究中心研究專員余龍騰講解道，團(tuán)隊(duì)巧妙地將整個(gè)過程拆分開來，分門別類進(jìn)行處理。在傳感器的設(shè)計(jì)上，他們采用微納光纖等敏感材料去感受外界的刺激，產(chǎn)生的信號經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來處理并給出反饋指令。

在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)靈巧操作和觸覺反饋等過程，力感應(yīng)和滑動檢測功能至關(guān)重要，一款柔性觸覺傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

該傳感器擁有類似指紋的溝壑表面，以及軟硬不同的多層結(jié)構(gòu)，和人類手指皮膚的結(jié)構(gòu)特征非常相似。“憑借這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)，當(dāng)傳感器與不同形狀、材料的物體接觸時(shí)，它可提供與抓握、滑動相關(guān)的有用信息?！庇帻堯v說。

除了感知力信號外，皮膚還可以感知熱覺、冷覺、痛覺等多種觸覺類型，這要?dú)w功于皮膚中4 種感知不同類型刺激的感知小體。

溫度感知能力是團(tuán)隊(duì)在觸覺感知上的另一個(gè)突破。在實(shí)驗(yàn)中，將微納光纖傳感器布置在機(jī)械臂指尖，它可以對不同溫度的咖啡進(jìn)行識別和操作。

機(jī)器人先用手指依次從冷、溫、熱三種溫度的咖啡上方掠過，微納光纖傳感器以非接觸方式感知咖啡溫度，從而讓機(jī)器人判斷咖啡位置。盛放咖啡的杯子柔軟易變形，機(jī)器人借助微納光纖的力傳感控制抓力，保證杯子被穩(wěn)穩(wěn)抓起而不會使咖啡溢出。

之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心研究專員肖建亮表示，雖然類人觸覺傳感器目前還達(dá)不到人體的智能程度，但在部分感知上可以做到超越人類極限，“一粒花粉落在皮膚上面，我們?nèi)梭w是感覺不到的，但對于類人觸覺傳感器來說，其靈敏度和分辨率可以設(shè)計(jì)到足夠高，從而感受到常人感受不到的東西”。

監(jiān)測生理信號的“守護(hù)者”

想象一下，未來人們只需攜帶一個(gè)幾平方厘米大小的傳感器，醫(yī)生就可以在辦公室里第一時(shí)間看到準(zhǔn)確的生理信號，根據(jù)人們的健康狀況制定相應(yīng)的診療方案，那是多么方便的一件事。

據(jù)了解，利用微納光纖制備的觸覺傳感器和我們印象中的傳感器有明顯的不同，它具有良好的柔韌性，可以穿戴在人們身上。通過對微弱壓力、應(yīng)變、溫度和濕度參量的高靈敏度和快響應(yīng)的感知，可實(shí)時(shí)監(jiān)測人們的脈搏和血壓等信號的變化。

“通常情況下，壓力、溫度、濕度等信號會存在串?dāng)_，因此難以準(zhǔn)確有效地提取生理信號。”張磊說。針對人體生理信號的健康監(jiān)測，團(tuán)隊(duì)對傳感器結(jié)構(gòu)做了特殊設(shè)計(jì)，使它可以感受到0.01℃的皮膚溫度變化；同時(shí)為了進(jìn)一步提升微弱生理信號的監(jiān)測能力，研制出靈敏度達(dá)102kPa-1 的高性能應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了對聲音和指尖脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在我國人口老齡化程度加深的背景下，這種傳感器可以讓未來的醫(yī)護(hù)人員更好地在遠(yuǎn)程監(jiān)測老年人或病患的生理信息，更及時(shí)地為需要幫助的人提供醫(yī)療服務(wù)?？梢哉f，觸覺感知研究工作讓科技的力量成為了照進(jìn)我們生活里的“一束光”。

此外，為發(fā)展觸覺再現(xiàn)技術(shù)，使器件在具備“感知”能力的同時(shí)具備“執(zhí)行”能力，團(tuán)隊(duì)以微納光纖為核心，構(gòu)建了用于智能柔性抓取的光波導(dǎo)型軟體致動器。

“這是一種由微納光纖和智能材料共同組成的微型智能器件，是人工肌肉、軟體機(jī)器人及微操控等技術(shù)的基礎(chǔ)?！毙そ两榻B道，“微納光纖致動器可以抓取不同形狀、大小的物體，還可以在大范圍內(nèi)抓取、移動、操控物體，彌補(bǔ)了空間光型致動器‘精準(zhǔn)操作難’的缺陷。有了軟體致動器的配合，觸覺傳感器的技術(shù)鏈路也會更加完整。”

有了微納光纖的加持，在不遠(yuǎn)的未來，我們也許可以看到機(jī)器在體內(nèi)復(fù)雜腔道中自由“游動”，中風(fēng)患者在康復(fù)治療中擁有了外骨骼，生命科學(xué)研究者可以抓取微米級細(xì)胞……

之江實(shí)驗(yàn)室的最新研究成果，讓所有“追光者”更加確信：一束光里，潛藏著柔軟卻強(qiáng)大的力量。