圖片來源@視覺中國
文 | 學術頭條
機器人在我們日常生活中已經無處不在，尤其是新冠肺炎大流行期間，機器人在無接觸配送、貨物分選、紫外線消毒以及防疫應急處理和輔助作業等方面，都扮演了不可或缺的特殊角色，甚至有人將機器人稱為科技 “戰疫” 中的洶湧 “後浪”。
但是，受限於目前觸覺傳感器在空間分辨率和精度方面存在的瓶頸以及其他原因，機器人在執行復雜任務上的能力遠遠低於人類。
相反，作為人類最大的器官，皮膚不僅可以感知力的大小和方向（自解耦），對外界刺激的定位精度也可以超越觸覺感受器間的平均間距（超分辨率）。因此，人的雙手可以完成非常精巧和複雜的任務，比如抓取易碎物品，進行靈巧操作，識別紋理和閲讀盲文等。而現有的機器人觸覺傳感器與人類皮膚相比還存在較大差距。
為解決上述難題，香港城市大學生物醫學工程系申亞京教授課題組、香港大學計算機系潘佳教授課題組及其合作者，共同提出了一種基於磁性薄膜、類人類皮膚功能的觸覺傳感器，結合深度學習算法，實現了機器人觸覺傳感器的自解耦和超分辨率，為仿人類皮膚的觸覺感知提供了新的思路。
相關成果以 “Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling” 為題，於近日發表在《科學機器人》（Science Robotics）上。申亞京教授和潘佳教授為論文的共同通訊作者，香港城市大學生物醫學工程系在讀博士生閆友璨為論文的第一作者（由申亞京教授和潘佳教授共同指導，主要研究方向為機器人觸覺感知和人工智能算法）。
來源：Science Robotics
研究人員對學術頭條表示，該研究主要解決了現有觸覺傳感器存在的兩點不足：
- 一是現有的觸覺傳感器力的解耦（將外力分解到法向和切向）或標定過程複雜，往往需要設計複雜的傳感器結構（如剛性梁）或擬合複雜的數學模型，而對於工業界的實際應用來説，傳感器的解耦（或標定）方法越簡單越好，因為簡單的方法往往越穩健，成本也更低；
- 二是在實現解耦的情況下，尚未同時實現觸覺超分辨率，這使得大面積、高空間分辨率而又低成本的觸覺傳感（如覆蓋機器人全身的人工皮膚）變得難以實現，因為大面積、高空間分辨率的觸覺傳感需要數量龐大的傳感單元和導線，因此需要更高的製造成本和信號採集成本。
研究團隊表示，“這種具有自解耦功能的超分辨觸覺感知在機器人領域有很大的應用潛力，可應用於機器人自適應抓取、靈巧操作，人機交互，模式識別等重要領域，賦予機器人靈巧操作日常物品的能力，提高人機交互的安全性。”
讓 “夾雞蛋” 力度恰到好處觸覺傳感器是用於機器人中模仿觸覺功能的傳感器，可以賦予機器人通過接觸來感知外部環境並與之交互的能力，在機器人靈巧操作、人機共融、模式識別等領域有着重要的應用。
隨着微電子技術的發展和各種有機材料的出現，近年來科學家已經提出了多種多樣的觸覺傳感器的研製方案，但目前大都屬於實驗室階段，達到產品化的並不多。
在該研究中，該觸覺傳感器的核心由一層經單面多級正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷電路板上的霍爾傳感器組成。磁膜和霍爾傳感器之間可以填充不同厚度和彈性的硅膠，用來調節傳感器的靈敏度和量程。當有外力施加於磁膜上時，霍爾傳感器將測量到由磁膜變形所引起的磁場變化，進而可以測量出所施加外力的大小和方向。
圖 | 磁性皮膚的結構和工作原理（來源：論文）
對此，申亞京教授表示，“這種經單面多極的正弦磁化後的磁體在學術上被稱為 Halbach 陣列（Halbach Array），其一個重要特點就是可以在削弱一側磁場的同時可以極大地加強另一側磁場。該技術不僅在粒子加速器、磁懸浮列車、電磁炮等前沿領域有着重要的應用，在我們日常生活中使用的冰箱貼中也有應用。”
在此次研究工作中，閆友璨發現了 Halbach 陣列除了單側磁場被增強的特點外，還有另一個很特殊的性質，即當把磁膜按正弦磁化後，其磁感應強度 B 和磁場方向 RB 在是 x-z 平面內是天然解耦的，即磁感應強度 B 只和 z 方向有關，磁場方向 RB 只和 x 方向有關。因此，法向力 Fz 的輸出只與 z 方向有關，切向力 Fx 的輸出只與 x 方向有關，這就為研究自解耦功能的觸覺傳感器提供了可能。
圖 | 磁感應強度平面和磁場方向平面（天然解耦）示意圖（來源：論文）
“最大的困難在於如何設計磁膜的磁化方式，才可以讓傳感器具有自解耦的特性。我們進行了多次實驗研究，發現正弦單面多級的磁化方式是最優的，因為這種磁化方式在理論上可以產生兩個天然解耦的物理量：磁場強度和磁場方向，進而可以幫助實現法向力和切向力的自解耦。” 閆友璨説。
據論文描述，解耦後的磁性皮膚可以提供獨立的正壓力和切向力的測量（無串擾耦合），因此可以給機器人提供更精確的力反饋，比如將磁性皮膚貼在機械手上進行自適應抓取雞蛋。
圖 | 基於力反饋的自適應雞蛋夾持（來源：研究團隊）
在實驗開始時，機械手未進行抓取，夾持力 Fz 和載荷引起的切向力 Fx 均為零，當機械手夾住雞蛋時（t1），夾持力 Fz 迅速增大，直至雞蛋被提起時（t2），由於雞蛋的重力作用，切向力 Fx 迅速增大，此時施加一個外部干擾：用手往下拽雞蛋（t3），切向力開始逐漸增大，為了不使雞蛋滑落，機械手自動增大夾持力，使 Fx/Fz 的比值始終小於滑動邊界（合力保持在摩擦錐以內）。當撤去外部干擾後（t4），機械手開始自動鬆開夾爪，以免雞蛋被夾碎，從而實現了在有外部干擾時，自適應抓取（易碎）物體的安全操作；在對比實驗中，當沒有磁性皮膚提供的力反饋時，由於夾持力不足以克服外部干擾，雞蛋被拽下（t8）。
圖 | 基於力反饋的自適應雞蛋抓取（來源：論文）
類似地，研究人員還展示瞭如何利用磁性皮膚的力反饋進行自適應調節機械手的夾緊力，以穩定的夾持一個正在注水的水瓶。當往水瓶中不斷注入液體時，切向力 Fx 逐漸增大，水瓶有從機械手中滑落的趨勢（Fx/Fz 的比值接近滑動邊界），此時機械手自動增加了夾持力 Fz，從而避免了水瓶的滑落，任務成功；同樣在對比實驗中，當沒有磁性皮膚提供的力反饋時，水瓶在注水的過程中從手中滑落，任務失敗。
圖 | 基於力反饋進行自適應抓取注水水瓶的演示（素材來源：研究團隊）
穿針引線，so easy據論文描述，這種磁性皮膚不僅可以精確地解耦外力的大小和方向，還具有觸覺超分辨率，即對外界刺激的定位精度可以超越傳感器的物理分辨率（兩個傳感單元之間的距離）。
在此次研究中，研究團隊分別用兩個不同的場景展示了觸覺超分辨在機器人領域的應用前景：1）利用觸覺超分辨率實時追蹤滾動小球；2）利用觸覺超分辨率遙控機械臂進行穿針。
在第一個場景中，研究人員利用超分辨率實時追蹤了在磁性皮膚上滾動的小球的接觸位置和接觸力大小，將定位精度提高了兩倍。進一步，通過神經網絡的定量計算，該定位精度可以被提高到 0.1mm，達到磁性皮膚物理分辨率（相鄰傳感單元的距離 6mm）的 60 倍。
圖 | 利用觸覺超分辨率實時追蹤滾動小球的演示（素材來源：研究團隊）
在第二個場景中，研究人員只使用了一個傳感單元便控制了機械臂的上、下、前、後、左、右六個運動方向，在研究人員的遠程操控下，機械臂可以完成穿針的精細操作。
圖 | 利用觸覺超分辨率遙控機械臂進行穿針的演示（素材來源：研究團隊）
為機器人 “穿” 上人工皮膚近年來，由於磁性材料可以對變化磁場作出快速響應的特性，其在機器人領域得到了重要應用。
去年 11 月，由申亞京教授課題組、中國科學院深圳先進技術研究院（SIAT）領銜的科研團隊，通過使用一種名為 M-spray 的複合膠狀磁性噴霧劑（composited glue-like magnetic spray），成功開發出一種製造毫米級機器人（Millirobots）的簡單方法。該方法只需要將類似膠水的磁性噴霧劑噴在物體表面，就可以快速製造出一種運動可控且靈活的毫米級機器人。利用這種方法，在磁場的驅動下，被塗抹後的物體可以在不同表面上爬行、行走或滾動，另外在一項實驗中，成功在兔胃內實現在目標位置釋放藥物。
圖 | 可爬、可滾、可行走的機器人（來源：香港城市大學）
“我們的想法是利用這種 ‘磁性外衣’，將任何物體變成機器人，並控制它們的運動軌跡。我們研發的 M-spray 可以粘在目標物體上，並且在磁場的驅動下 ‘激活’ 物體。” 申亞京當時解釋道。
在此次研究工作中，研究人員也同樣使用了一種磁性材料。研究人員告訴學術頭條，“磁性材料擁有可編程性，可遠程操控性等優點，在微型機器人中應用十分廣泛，可用於體內藥物遞送，血管舒通等重要領域。除了用作磁性驅動器，磁性材料也可以用作觸覺傳感器，相比基於壓電，壓容，壓阻，光纖等只有一維信號輸出的觸覺傳感器，基於磁性材料的觸覺傳感器可以輸出三維的磁場信號，更有利於實現多維力傳感和觸覺超分辨率。”
那麼，這種磁性皮膚的易用性如何？能不能從實驗室走出供大眾使用呢？潘佳教授表示，針對特定硬件設計協同的智能算法，能夠進一步突破硬件本身的瓶頸，獲得更好的效果。
“我們針對磁膜的特性設計了深度學習方法，將其超分辨率提高到了 60 倍，達到了與人類皮膚的超分辨率（約 40 倍）可比的程度。如此以來，我們可以在實現功能的同時，極大地減少機器人皮膚中的傳感單元與佈線，從而提高智能皮膚的易用性。這對未來把人工皮膚覆蓋於機器人全身，使機器人擁有和人類一樣的全身觸覺感知能力至關重要。”
談及未來，研究人員表示他們將繼續致力於開發出在更多維度上解耦的磁性皮膚，並針對不同的場景設計出特定的超分辨率算法，實現硬件和軟件的深度融合，從而大大拓展磁性皮膚的應用場景。
或許在不遠的將來，覆蓋有人工皮膚的家庭機器人將成為我們日常生活中不可缺少的一部分。