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斯坦福开发了一种电子手套,让机器人有触觉。

斯坦福大学的工程师们已经开发了一种电子手套,里面装有传感器,将来有一天,这种传感器可以让机器人的手具有人类认为理所当然的灵活性。

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斯坦福大学的研究人员开发了一种皮肤状的触觉传感器,这种触觉传感器能使这只机械手传递适量的压力,以抬起和移动乒乓球,而不会压碎它。

11月21日,化学工程师鲍振南(Zhenan.)和她的团队在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上发表了一篇论文,该论文表明,传感器工作良好,能够让机器人手触摸到娇嫩的浆果,并处理乒乓球,而不会挤压它们。

鲍说:“这项技术使我们走上了一条有朝一日赋予机器人在人体皮肤上发现的那种感知能力的道路。”

鲍说,手套的指尖上的传感器同时测量压力的强度和方向,这是实现手动灵活性所必需的两个品质。研究人员还必须完善自动控制这些传感器的技术,但是当他们这样做的时候,戴手套的机器人可以很灵巧地将鸡蛋夹在拇指和食指之间,而不会砸碎或让它滑倒。

模仿生活的电子产品

这种电子手套模仿了人类皮肤各层共同作用的方式,赋予我们的双手非凡的灵敏度。

我们的皮肤外层充满了传感器,以检测压力,热量和其他刺激。我们的手指和手掌特别富含触摸传感器。这些传感器与称为棘突的皮肤亚层联合工作,棘突是山谷中凹凸不平的微观地形。

这张照片中所示的传感器足够灵敏,可以让手指握住蓝莓而不会压碎它。将来,所有的手指和手掌都会有类似的电子传感器,模仿我们皮肤上的生物传感器。(图像信用:宝实验室的礼貌)

这种凹凸不平是至关重要的。当我们的手指接触到一个物体时,皮肤外层就更靠近棘突。轻触主要由靠近山顶的传感器感觉到。更强的压力迫使外层皮肤向下进入棘骨谷,触发更强烈的触摸感觉。

但是测量压力的强度只是棘突作用的一部分。这个凹凸不平的子层还有助于揭示压力或剪切力的方向。例如,一个手指向北按压,会在那些微小山丘的南坡上产生强烈的信号。这种感知剪切力的能力是帮助我们轻轻地但牢固地把鸡蛋夹在拇指和食指之间的部分原因。

博士后学者克莱门汀·布特里和硕士生马克·内格雷领导了模拟这种人体机制的电子传感器的发展。在机器人手套的指尖上的每个传感器是由三个柔性层共同工作的。顶层和底层是电活性的。研究人员在这两个面对面的表面的每一个上都铺设了一条电线网格,就像田野中的行一样,并把这些行相互垂直地旋转,从而形成一个密集的小型感测像素阵列。它们也使底层像棘骨一样起伏。

中间的橡胶绝缘体只是将电极的顶层和底层分开。但是这种分离是至关重要的,因为靠近而不接触的电极可以储存电能。当机器人的手指按下,挤压上部电极接近底部,储存的能量增加。底层的丘陵和山谷提供了将压力的强度和方向映射到垂直网格上的特定点的方法,非常像人的皮肤。

微妙的接触

为了测试他们的技术,研究人员将他们的三层传感器放在橡胶手套的手指上,并将手套放在机器人的手上。最终目标是将传感器直接嵌入到机器人手的皮肤状覆盖物中。在一项实验中,他们让戴手套的机器人手轻轻地触摸浆果而不会伤害它。他们还对戴着手套的手进行编程,以便在不压碎乒乓球的情况下提起和移动乒乓球,方法是使用传感器检测适当的剪切力以抓住球而不掉下来。

WPA6060602IMG机器人轻轻触摸树莓。(图像信用:宝实验室的礼貌)

鲍说,通过适当的编程,戴着当前触觉手套的机器人手可以执行重复的任务,例如从传送带上提起鸡蛋并将它们放入纸箱。该技术还可应用于机器人辅助手术,其中精确的触摸控制是必不可少的。但是鲍的最终目标是开发一个高级版本的手套,自动应用适量的力量来安全地处理一个物体,而不需要事先编程。

她说:“我们可以给一只机器人手编程,让它触摸树莓而不会压碎它,但是要触摸并检测出它是树莓,并使机器人能够捡起它,我们还有很长的路要走。”

鲍振南,工程学院李克强教授,化学工程教授,能源前驱研究所高级研究员,斯坦福生物X研究所成员,斯坦福森林环境研究所附属机构,吴蔡神经科学院成员。尤特。其他斯坦福大学的合著者包括计算机科学教授Oussama Khatib、博士后研究员Or.sVardoulis和博士生Mikael Jorda。

这项工作得到瑞士国家科学基金会、欧洲委员会、国家科学基金会和斯坦福纳米共享设施的支持。

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