虽然（rán）视觉在机器（qì）人的（de）感知中（zhōng）占主导（dǎo）地（dì）位，但视（shì）觉受限的（de）动物（wù）却能使用其他（tā）感知形式（如触觉）巧妙地导航（háng）环（huán）境，科学家已经（jīng）努力将具（jù）有（yǒu）触（chù）觉感知（zhī）的人造皮肤应（yīng）用于机器人，以获得类似复杂的移动和操作技能。

 

一种新的合成材料可以创（chuàng）建一个类似（sì）于生（shēng）物神经（jīng）系统的相（xiàng）关感官网络，可以使软机器（qì）人感（gǎn）知它们如何与环境相互作用并相应地（dì）调整（zhěng）它们的（de）行为。在功能上模仿传入（rù）感觉神经网络的（de）能力（lì），这是全身分（fèn）布式传感和（hé）通信网络所必需（xū）的，现（xiàn）在（zài）仍然缺（quē）乏。这种限制（zhì）部（bù）分是由于机器（qì）人体内的机械传感器缺乏协整性。

 

在这里，分（fèn）布在3d打印弹性体（tǐ）框（kuàng）架中的可拉伸光纤的连接创造了（le）一个协整体、传感和通信网（wǎng）络。这种软的、功（gōng）能（néng）性的（de）结构能够以亚（yà）毫米级的（de）定位精（jīng）度（误差为0.71毫米）和亚牛顿级的力（lì）分辨率（约0.3牛顿）定位变形。
 

portant;" />

 

“我（wǒ）们希望有一种（zhǒng）方法（fǎ）来（lái）测量高度（dù）可变形物（wù）体的（de）应力和应变，我们希望使用（yòng）硬件本身，而（ér）不是视觉，”实验（yàn）室主任Rob Shepherd说，机械和航（háng）空（kōng）航（háng）天工程副教授和论文的（de）高级作者。“从生物学角度（dù）考虑这个问题（tí）的（de）一（yī）个好（hǎo）方法。一个盲人（rén）仍然可以感觉到，因为他们的手指传感器会（huì）在手指变形（xíng）时（shí）变形，机器（qì）人现在没有这种（zhǒng）感觉。”

 

Shepherd的实验室以前创造了使用光纤检测（cè）这种变形的感官泡沫。对于光学（xué）花边项目，Xu使用由3-D印刷聚氨酯制成的柔性多（duō）孔（kǒng）网格结（jié）构。她用含有十几个机械传（chuán）感（gǎn）器的可（kě）拉伸光纤穿过其核心（xīn），然后连（lián）接LED灯照亮光纤。

 

当（dāng）她在各个点（diǎn）按下晶格结构时（shí），传感器能（néng）够精确定（dìng）位光子流（liú）的变化。

 

许（xǔ）多生物系统已经适应通过发展缠绕的脑 - 身体关系在功能上与外部（bù）环境（jìng）相（xiàng）互作用。这（zhè）种复杂的安排允许后者感（gǎn）知（zhī）世界，前者以闭环方式解（jiě）释它。随着机器人（rén）在物理（lǐ）上越（yuè）来越复杂，认知（zhī）越来越先（xiān）进，我们可以从动物神经系统中（zhōng）获取灵感，为控（kòng）制机器人文物创（chuàng）造必要的基础。

 

通过视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉，甚至磁场和电场（chǎng）的解释，动物和植物都能（néng）感受到（dào）外（wài）在的感觉。本体（tǐ）感觉，自（zì）身身体（tǐ）部位的位置和状（zhuàng）态的知识（shí），也（yě）是通（tōng）过这些感觉器官的（de）某（mǒu）些组合来实（shí）现的; 特（tè）别是（shì）动物（wù）使用通过皮肤下的机（jī）械感受器（qì）感受到的振动和力，并通过肌肉和腱。根据这些信息，他们执行复杂的任务，例如在失明时操纵或在受（shòu）伤时改变（biàn）他们的（de）行为。
 

portant;" />

本体感受泡沫（mò）圆筒。
图片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

目前（qián），自主机器人主（zhǔ）要（yào）使用放置在末端执行器上的视觉和触觉检测器进行（háng）外（wài）部感知和关节处的传感器以及用（yòng）于本（běn）体感觉（jiào）的质（zhì）心以完成复杂的任务（wù）。如（rú）在动（dòng）物（wù）的（de）神经（jīng）回路中那（nà）样（yàng），更分散的传感（gǎn）器网络将（jiāng）允许（xǔ）机器人以更（gèng）高的触觉分辨率相互作用并且测（cè）量随时（shí）间累积的机械损伤（即，弯曲（qǔ）或断裂的（de）肢体）。分布（bù）式体积（jī）传感的重要（yào）性在软机（jī）器（qì）人（rén）领域更为（wéi）明显，其中机器（qì）的（de）每个部分都会（huì）变形。在这些机（jī）器人，分布在整个身（shēn）体的伸缩（suō）传感器（qì）最近才用于反馈控制（zhì）。

 

“当结构变形时，输入线和输出线之间会有接触，并（bìng）且（qiě）光线会（huì）跳入结构中的这些输出回路，这样你就（jiù）可以知（zhī）道接触（chù）发（fā）生的位置，”徐说。“这（zhè）种强度（dù）决（jué）定了变形（xíng）本身的强度。”
 

portant;" />

展示了可以（yǐ）准确检测出被按（àn）压位置的外部感受（shòu）“钢（gāng）琴”。
图片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

Shepherd说，光学（xué）花（huā）边不会被用作机（jī）器人的皮肤（fū）涂层，但更像是肉体本身。装有（yǒu）这种材料的（de）机器人将更适合（hé）医疗保健行业，特别是寿（shòu）命终止和临（lín）终关怀（huái）以及（jí）制造业。
 

portant;" />

展示了本（běn）体感受泡沫圆（yuán）筒（tǒng），可以测量自身压（yā）缩水平。
图片（piàn）来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

虽然光学花边的灵敏度（dù）不如（rú）人类（lèi）指尖那（nà）么敏（mǐn）感，但是人体指尖充满（mǎn）了（le）神经感受器，但是这种材料对人体的背（bèi）部更敏感。这（zhè）种材料也是可以（yǐ）清（qīng）洗的，这导致了另一种（zhǒng）应用（yòng）：Shepherd的实验（yàn）室已经成立了一家初创公司，将Xu的传感（gǎn）器商业化，制（zhì）作出可以测量人体形状和运动的服装，用于增强现实（shí）训练。
 

portant;" />

展（zhǎn）示泡沫圆筒上的外部感知，可以检测（cè）到它被触摸的位置（zhì）。
图（tú）片（piàn）来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）
 

portant;" />

基于（yú）光学花边的（de）机器（qì）人在（zài）多（duō）个位（wèi）置感应变形的计算机模型。
图（tú）片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

该论文“合成传（chuán）入神经网络的光学花边”于9月（yuè）11日在Science Robotics上发表。