機器人觸覺傳感器不只是皮膚

北卡羅來納大學和以色列特拉維夫大學的科研人員克服了實現低成本先進機器人觸覺的一大障礙。作者認為，許多關于觸覺傳感器的論文中一直潛藏的問題在于機器人皮膚本身。

在這項研究中，用于制造皮膚的廉價硅橡膠復合材料被發現其上下表面存在一層絕緣層，這阻礙了傳感聚合物與監測表面電極之間的直接電氣接觸，使得準確和可重復的測量幾乎不可能。隨著誤差的消除，廉價的機器人皮膚可以讓機器人模仿人類的觸覺，使它們能夠感知物體的曲線和邊緣，這對于正確抓握物體是必要的。

在發表在《先進電子材料》期刊上的一篇論文中，一個由電氣工程師和聚合物材料科學家組成的多學科研究團隊揭示了這個問題，并提供了驗證電氣接觸的實用步驟，這些接觸可能無意中掩蓋了設備性能，根據西北大學的馬修·格雷森（麥科密克工程學院電氣與計算機工程教授）的說法。

“許多科學家誤解了他們的傳感器響應，因為他們將接觸的行為與傳感器材料的行為混為一談，導致數據不一致，”格雷森說。“結果，如果你沒有意識到這個問題，你可能會發表一些無人能重復的論文。我們的工作確定了問題的確切原因，在微觀和電氣方面量化了其程度，并提供了一份清晰的逐步故障排除手冊來解決這個問題。”

用于典型機器人皮膚的橡膠，稱為彈性體，是靈活、輕便且廉價的，當添加像碳納米管這樣的導電填料時，所得復合材料成為理想的觸覺傳感器候選者，其電阻在受壓時局部變化。但要接收電信號，傳感器需要電接觸，研究人員檢測到這種復合材料中普遍存在的薄絕緣層，該絕緣層會極大地改變接觸行為。僅通過打磨超薄的絕緣層，該團隊就能實現更強的電接觸，并用電學和顯微鏡方法校準絕緣層的厚度。

"所有有趣的事情都發生在界面處，"聯合作者、特拉維夫大學教授 Noa Lachman 說。"這項發表不僅展示了傳感器界面的重要性，也展示了在兩個不同學科：材料科學和電氣工程之間的交叉領域工作的重要性。材料專家多年來一直懷疑導電聚合物復合材料中存在這種絕緣外層，但無法理解其電學效應。我們每個人都有一塊拼圖，但只有在一起才能得到完整的畫面。"

機器人尤其復雜，部分原因是因為它需要許多種類的專業知識。例如，設計機器人功能電子材料的聚合物材料科學家，與處理傳感器信號的電氣工程師所接受的教育和技能并不相同。格雷森說，"接觸準備"的挑戰正是這項研究的討論開始的地方。

"這就是為什么我們的與特拉維夫的合作至關重要——他們知道我們不知道的材料科學知識，格雷森說。我們依賴他們來制備我們正在研究的材料，然后我們拿過來研究，再反過來幫助特拉維夫的材料科學家更好地表征他們的材料。"

生產新材料——然后復制它們——需要控制許多不同的變量，而這些變量往往很難甚至不可能控制。格雷森在關于觸覺傳感的許多文獻中暴露了可重復性問題，他挑戰研究界按照論文中描述的質量檢查標準來要求自己達到更高的標準。隨著這個問題在研究人員中的認識逐漸普及，新的出版物可以更嚴格地依賴來推動該領域以新的能力前進。

該研究得到了美國國家科學基金會（NSF ECCS-1912694, NSF DMR-1720139）的支持，通過 Crown Family Fund 由西北大學資助，Leslie 和 Mac McQuown 資助，通過納米科學與納米技術中心由特拉維夫大學資助，以及美國-以色列雙邊科學基金會（BSF 資助編號 2018732）。額外的出版支持來自西北大學的以色列創新項目和西北大學電氣與計算機工程系。