隨著機器人技術(shù)從“預設程序執(zhí)行"向“具身智能交互"發(fā)展，機器人與環(huán)境的物理交互能力成為制約其自主性與適應性的關(guān)鍵瓶頸。觸覺感知作為機器人理解物體屬性、實現(xiàn)精細操作、保障人機安全的核心傳感方式，其重要性日益凸顯。然而，當前機器人的觸覺系統(tǒng)在感知維度、分辨率和信號理解能力上仍遠遜于人類，難以支撐復雜、動態(tài)的真實場景任務。近日，清華大學深圳國際研究生院丁文伯團隊聯(lián)合多所研究機構(gòu)，從鴿子的多光譜視覺與非成像感知機制中汲取靈感，提出一種仿生多模態(tài)觸覺傳感器（SuperTac），將多光譜成像、摩擦電傳感與慣性測量融為一體，并通過構(gòu)建觸覺語言模型（DOVE）實現(xiàn)觸覺信號的理解與推理，旨在推動機器人觸覺感知向“人類水平"邁進，為智能制造、醫(yī)療輔助與服務機器人等領域提供新一代觸覺解決方案。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Sensors期上，也是國內(nèi)機構(gòu)以單位發(fā)表在該期刊上的文章。

研究背景

在觸覺傳感技術(shù)領域，現(xiàn)有主流方案主要包括電子皮膚與視觸覺傳感器兩類，但均存在顯著不足：

電子皮膚傳感器雖能通過多功能材料實現(xiàn)多模態(tài)感知，但提升空間分辨率需依賴密集電極陣列，易導致信號串擾、系統(tǒng)復雜、穩(wěn)定性下降，難以兼顧高分辨率與多模態(tài)融合;

視觸覺傳感器通過光學成像實現(xiàn)亞毫米級分辨率，易于與計算機視覺模型結(jié)合，但其感知譜段通常局限于可見光，缺乏對溫度、材質(zhì)、接近感等非成像模態(tài)的融合能力，限制了其在多物理場環(huán)境中的全面感知;

當前觸覺系統(tǒng)普遍面臨觸覺信號解讀能力薄弱的問題，缺乏能夠融合多模態(tài)觸覺信息并進行語義推理的智能模型，導致機器人“有感無知"，難以實現(xiàn)類人的觸覺認知與交互決策。

設計與測試

生物靈感來源

受到鴿子視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，本工作的設計借鑒了其視網(wǎng)膜中多類型視錐細胞的分工機制，特別是紫外敏感細胞，以拓展傳感器的光譜感知范圍。同時，模擬了鴿子視網(wǎng)膜中用于磁場感知的特殊分子機制，將非成像感知能力遷移至觸覺傳感領域，從而突破傳統(tǒng)視覺傳感的局限。

效仿生物神經(jīng)系統(tǒng)對多感官信息并行處理與協(xié)同融合的原理，構(gòu)建了多模態(tài)傳感物理系統(tǒng)：通過紫外波段實現(xiàn)標記點追蹤與滑動識別；可見光波段用于顏色與環(huán)境視覺感知；近紅外波段專攻紋理與接觸力分布檢測；中紅外波段負責溫度場測量。

結(jié)合基于PEDOT:PSS透明導電層設計的摩擦電傳感模塊，通過接觸靜電荷差異識別材質(zhì)并實現(xiàn)接近感知；集成MPU6050慣性測量單元實時采集三維姿態(tài)與加速度數(shù)據(jù)，支持碰撞檢測與振動分析；最終通過氣壓可調(diào)的硅膠充氣支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成自適應感知皮膚，動態(tài)調(diào)節(jié)0-7N力感知范圍，實現(xiàn)對復雜曲面的高保真輪廓重建。

感知皮膚設計

感知皮膚采用總厚度僅1mm的四層薄膜堆疊結(jié)構(gòu)：導電層由PEDOT:PSS/TPU復合薄膜構(gòu)成，通過渦旋線電極設計實現(xiàn)均勻信號分布，兼具高透明度與良好導電性；熒光層采用紫外熒光油墨，可在紫外光下顯影、近紅外下透明，實現(xiàn)工作模式切換與標記追蹤；反射層為銀粉/硅膠復合材料，具備單向鏡效應，能通過光強控制實現(xiàn)不同波段的透明/不透明切換；支撐層采用氣壓可調(diào)的硅膠充氣薄膜，不僅提供機械支撐，更具備優(yōu)于傳統(tǒng)亞克力的中紅外透過性。

基于反射層的光控透明特性，系統(tǒng)實現(xiàn)智能工作模式切換：觸覺模式下內(nèi)部光源開啟，薄膜呈不透明狀態(tài)，實現(xiàn)表面紋理和力的精確檢測；視覺模式下內(nèi)部光源關(guān)閉，薄膜轉(zhuǎn)為透明狀態(tài)，允許外部環(huán)境光的直接觀測，形成獨特的光場調(diào)制機制。

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