具有触觉感应功能的新型水凝胶皮肤

几十年来，机器人专家一直在努力开发在外观和能力方面与人类非常相似的机器人。最近的技术进步为创建类人机器人系统开辟了令人兴奋的新可能性，例如通过引入更先进的传感器和柔软的人造皮肤。

剑桥大学仿生机器人实验室的研究人员最近创造了一种新的基于水凝胶的皮肤，可以让机器人检测物体的触觉，人工再现人类的触觉。这种高度可拉伸的皮肤在《今日材料电子》上发表的一篇论文中介绍，使用一系列电极和无模型计算方法重建触觉刺激。

“最近，世界各地的研究人员都对如何用柔性和可拉伸材料制造机器人感兴趣，”进行这项研究的研究人员之一大卫哈德曼告诉TechXplore。“这些'软'机器人使用起来更安全，不会损坏它们与之交互的物品，并且可以完成传统'刚性'机器人非常困难的任务。然而，为了获得全部好处，机器人的所有组件都必须是柔软的，包括任何传感器。

从人体皮肤中汲取灵感，哈德曼和他的同事们着手创造一种可拉伸的传感材料，可以检测任何损伤，感知物体或人的触摸并监测其周围环境。他们创造的人造皮肤基于水凝胶(即，一种不溶于水的凝胶，其中也含有水)与基于电极的硬件系统相结合。

“我们使用专门开发的感应水凝胶作为我们皮肤的基础，因为它是可生物降解，可定制的，并且非常可拉伸，”哈德曼解释说。“我们将其与电阻抗断层扫描(EIT)硬件相结合，该硬件使用皮肤边缘的电极来施加电流并测量电压，从而为我们提供有关皮肤状态的信息。使用这些电压，我们试图推断皮肤被触摸的位置，或者是否被损坏。

Hardman和他的同事没有像大多数现有的人造皮肤那样使用传统的基于神经网络的架构分析电极收集的数据，而是使用少量真实世界数据为他们基于水凝胶的系统创建了变形图。在初步评估中，他们发现他们的系统明显优于基于传统神经网络的人造皮肤系统，在12毫米圆形皮肤上实现了1.170毫米的平均分辨率。

“将电阻抗断层扫描技术与功能性传感器皮肤相结合会导致一系列问题，这些问题很难用纯粹的数学方法解决，”哈德曼说。“我们已经提出了一种大大简化的方法，通过将少量真实世界的数据纳入我们的计算中。正因为如此，我们可以开始处理使用分析方法无法想象的应用，在我们的机器人的整个表面上添加柔软的触觉传感器。

到目前为止，Hardman和他的同事已经测试了他们的水凝胶皮肤在三个关键的实际应用中的潜力，即检测或定位损伤，监测环境和识别不同的触觉刺激。他们的系统在所有这三项任务中都表现良好，这表明它可以用来增强旨在处理不同任务的软机器人系统的能力。

“我们目前正在努力改善皮肤的形状和大小，以便它们可以用来感知更复杂的刺激，”哈德曼补充道。“例如，如果将皮肤涂在机器人手上，我们希望它不仅能感知触摸皮肤的位置和力度，还能感知每个手指的位置以及手是否受损。

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