Science Robotics封面：加州理工團隊用電子皮膚控制機械臂，還能賦予多模式感知！

大數據文摘轉載機器人大講堂

想要自如地操縱一臺機械臂，只需在手臂貼上一片薄薄的‘電子皮膚’。

通過自己的肌肉運動來控制機器人，看起來是不是超酷！如果不想貼在手臂上，那貼脖子上試試：

你抬一下頭，機械臂也跟著抬一下，不過這時間長了估計頸椎受不了，還是換回手臂上吧。

這片薄薄的‘電子皮膚’不僅能讓機械臂像是長在自己身上一樣控制自如，還能讓機器人擁有多維度的感知能力！

這種感知包括接近、觸覺和溫度感知，機器人還能夠感受到現場的有毒物質，如爆炸物、新冠病毒等，并通過實時觸覺和威脅警報反饋通信給人類，比如讓機器人去抓一個雞蛋，如果抓得太緊有壓碎蛋殼的危險，你的皮膚會感到“有點刺痛”。

這是一種由AI驅動的人機交互多模式傳感機器人系統  (M?Bot)，來自加州理工學院醫學工程系高偉（Wei Gao）教授研究團隊，并登上了《Science Robotics》期刊六月的封面，文章標題為“All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing”

M?Bot的核心是兩片水凝膠“電子皮膚”：e-skin-R和e-skin-H，二者可形成一個閉環人機交互機器?傳感系統。一片貼在機器人手指上，用于感知和檢測周圍環境；另一片貼在人類皮膚上，用于機器人的手部控制。

自研納米墨水打印電子皮膚，讓機械手能檢測新冠病毒

在e-skin-R中，嵌入在水凝膠中的是傳感器通過噴墨打印在皮膚上，就像噴墨打印機將文本打印到一張紙上一樣，這里可不是普通的墨水，而是團隊自開發的多種納米材料墨水，可以低成本的將多種納米材料等修飾在柔性基底上，并構建相應物理及化學傳感器。

通過將銀納米線修飾在具有特殊表面結構的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，構建壓阻式壓力傳感器，可以賦予機械手觸覺感知；

同時，修飾鉑納米粒子參雜的石墨烯和MOF-808/金納米粒子的兩種電化學傳感器，在水凝膠幫助下能夠分別原位檢測微量的TNT與有機磷。針對新冠病毒檢測，研究團隊在噴墨打印的碳納米管基礎上，修飾有相應的新冠病毒突刺抗體，通過電化學信號的強弱實現對新冠病毒的原位實時檢測。

用自己的皮膚實時接收反饋

e-skin-H充當人機交互界面，由四個 sEMG 電極陣列（通道）和?對電刺激電極組成，可以收集生理數據，采集通過肌肉收縮產生的表面肌電（sEMG）信號。

在信號采集后，使用KNN模型解碼肌電信號中的運動意圖，手腕的簡單輕彈即告訴機械臂向上或向下移動，人類手指的握緊或張開會促使機械手做出類似的動作；機器?可以在毫秒級的時間內模仿人類的手勢，研究人員訓練了包含上，下，左，右，抓握，伸張等六種手勢，以實現機械臂及機械手的準確操控。

在機械臂向下移動到過程中，激光距離傳感器首先被觸發，反饋給系統，表明機械手下方有待測物體存在，同時降低移動速度以免過快接觸而造成損傷。當機械手識別到物體接觸，可以激活觸覺和警報反饋，使用兩個刺激電極之間的脈沖電流負載來通知人類，人類會感受到皮膚上的溫和電刺激——“有點刺痛”。

在下一步進行抓握手勢后，機械手抓住被測物體。在抓握動作完成后，又有多個壓力傳感器被觸發，并同時啟動相應位置的電化學傳感器。電化學傳感器對于所觸碰的位置進行原位檢測，根據信號強弱計算出相應位置的有害物質濃度，并得到有害物質在物體表面的分布情況。

未來將提高電子皮膚壽命

在賦予機器人感知能力時，多數研究都將焦點集中在物理信號的感知，如觸覺（壓力）傳感，溫度傳感等；如果能夠增加環境中的化學樣品以及生物樣品的檢測，那將大幅提高機器人感知的應用范圍，讓機器人代替人類判斷有害物質的種類及濃度，以避免人類潛在的暴露風險。

高偉（Wei Gao）教授團隊設計的M?Bot，包含了壓力，溫度，化學信號及生物信號等多模式傳感，在監測壓力與溫度的同時，也實現了對爆炸物（TNT），神經毒氣（有機磷），病毒（新冠病毒）等有害物質的高靈敏度原位檢測。

除了機械臂，這種技術還被用在了多模式傳感機器?船 (M-Boat)上，來檢測水下化學品泄漏，可以識別泄露源的空間位置，實時檢測周圍分析物濃度，還能夠在海水中執行連續的危險分析和自主泄漏跟蹤。

“我認為我們已經展示了概念驗證，” 高偉（Wei Gao）教授表示。“但我們希望提高這種機器人皮膚的穩定性，使其使用壽命更長。通過優化新墨水和新材料，我們希望它可以用于不同類型的目標檢測，并將它放在更強大的機器人上，讓它變得更聰明”。