近期，英國劍橋大學(xué)和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊在《科學(xué)·機器人學(xué)》雜志上發(fā)表了一項成果：他們研發(fā)出一種新型柔性導(dǎo)電機器人“皮膚”，能夠同時感知壓力、溫度等，并區(qū)分多個接觸點，以類似人類的方式獲取周圍環(huán)境信息。這款“皮膚”由單一材料制成，僅需一種傳感器就能識別多種刺激，并且可塑造成各種復(fù)雜形狀。

人體皮膚內(nèi)分布有感覺神經(jīng)及運動神經(jīng)，能感知體內(nèi)外的各種刺激，產(chǎn)生各種感覺并引起相應(yīng)的神經(jīng)反射。傳統(tǒng)機器人“皮膚”多依賴微機電系統(tǒng)，在表面鋪設(shè)大量微型傳感器來模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)。然而這類方案制造工藝復(fù)雜、軟硬材料易分層、結(jié)構(gòu)脆弱，且傳感器之間常存在信號干擾，難以實現(xiàn)大面積部署，功能也遠(yuǎn)未達(dá)到人類皮膚的綜合感知水平。

此次英國研究團(tuán)隊的重要突破在于讓機器人用一種傳感器識別出多種不同的刺激。這種名為“電阻抗斷層掃描”的檢測方法通過在單層水凝膠膜周圍設(shè)置32個電極，每4個電極組合成1個測量單元，生成超過86萬種不同的電流路徑組合，形成高密度、全覆蓋的傳感網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)外在條件變化時，如溫度升高、濕度改變或接觸物體等，水凝膠的電學(xué)特性隨之改變，進(jìn)而使施加的電流發(fā)生變化。另一對電極則實時監(jiān)測這一變化。通過分析電流模式的差異，系統(tǒng)即可判斷出這塊“皮膚”受到了什么刺激。

由于“皮膚”每時每刻都在接受外界傳來的多種刺激，其產(chǎn)生的“電信號”復(fù)雜多元。為有效處理這些信息反饋，研究團(tuán)隊引入了人工智能算法訓(xùn)練，使系統(tǒng)能夠自主學(xué)習(xí)并識別哪些電極組合可以最有效地區(qū)分特定刺激。這些電極作為“神經(jīng)”，人工智能作為“大腦”，特定的電信號被“大腦”識別后解讀為對應(yīng)的“感覺”，由此機器人也有了“觸覺系統(tǒng)”。

此次研究的另一重要創(chuàng)新體現(xiàn)在其選用的柔性材料上。該材料為水凝膠，是一種極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，導(dǎo)電性能好、柔軟可塑，對機械力、溫度和濕度均敏感。它可以直接塑造出復(fù)雜的形態(tài)，例如等比例的成人手掌模型等。用水凝膠制成的仿真“皮膚”，更加柔軟且有觸覺，為構(gòu)建高度仿生、性能穩(wěn)定的下一代人工皮膚系統(tǒng)奠定了材料基礎(chǔ)。

這項基于水凝膠和電阻抗斷層掃描的多模態(tài)傳感技術(shù)不僅是機器人感知與材料科學(xué)領(lǐng)域的新突破，還體現(xiàn)了計算智能與生物仿生融合的新趨勢。該研究以一層水凝膠、一圈電極和一套識別系統(tǒng)突破了人工皮膚傳統(tǒng)設(shè)計瓶頸，用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式讓柔性材料“學(xué)會”辨識復(fù)雜信息。當(dāng)人工皮膚能像人類皮膚一樣精細(xì)感知環(huán)境，人機交互的邊界正被重新定義。

盡管成果顯著，但該技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)。例如，水凝膠在空氣中易失水干裂，且在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定。另外，當(dāng)前系統(tǒng)完成一次全區(qū)域掃描耗時較長，尚難滿足高速交互需求。研究團(tuán)隊表示，下一步將聚焦于開發(fā)更穩(wěn)定的新型水凝膠或替代材料，并優(yōu)化算法以提升響應(yīng)速度。

給機器人制造“皮膚”意義重大。“觸覺”對機器人的改變不只是多了一種感官，而是能夠提升機器人與外在環(huán)境的交互能力，幫助其適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境。未來，此類人工皮膚有望應(yīng)用于人形機器人、醫(yī)療健康監(jiān)測、智能穿戴設(shè)備、智能假肢、工業(yè)制造和災(zāi)后救援等領(lǐng)域。此外，該技術(shù)也將推動柔性電子、智能材料和類腦感知系統(tǒng)等前沿科技進(jìn)一步發(fā)展。