虽然视觉在机（jī）器（qì）人的感知中占主（zhǔ）导地位，但视觉（jiào）受限的动物却能（néng）使用其他感知形式（如触觉）巧妙地导航环境，科学家已经努力将具有（yǒu）触（chù）觉感（gǎn）知的人造皮（pí）肤应用于机器人，以获得类似复（fù）杂的移动和操作技能。

 

一种新的合成材料可（kě）以创（chuàng）建（jiàn）一个（gè）类似于生物（wù）神经系统的相关感官网络，可以（yǐ）使软机（jī）器人感知它（tā）们如何与环（huán）境相互作用并相应（yīng）地（dì）调整它（tā）们的（de）行为。在（zài）功能上模仿传入感觉神经网络的（de）能力（lì），这（zhè）是（shì）全身分布式传（chuán）感和通信网络（luò）所必需的，现在仍然缺乏。这种限制部分是由于机器人体内的机械传感器缺（quē）乏协（xié）整性（xìng）。

 

在这里，分布在3d打（dǎ）印弹性体框架中的可拉（lā）伸光纤的连（lián）接创造了一个协整（zhěng）体、传（chuán）感和通信网络。这（zhè）种软的、功能性的结构能够（gòu）以亚毫米级的定位（wèi）精度（误差为0.71毫米）和亚牛顿级的力分辨率（lǜ）（约0.3牛顿）定位变形。
 

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“我们希望有一（yī）种（zhǒng）方法来（lái）测量高（gāo）度可变形（xíng）物体的应（yīng）力和应变，我（wǒ）们希望使用（yòng）硬件本（běn）身，而不是（shì）视觉，”实验室（shì）主任Rob Shepherd说，机（jī）械和航空航（háng）天工（gōng）程副教授（shòu）和论文的（de）高级作者（zhě）。“从（cóng）生物学（xué）角度考（kǎo）虑这个（gè）问题的一（yī）个好方法。一个（gè）盲（máng）人仍然（rán）可以感觉到（dào），因为他（tā）们的手指传感器会在手指变形时变（biàn）形，机器人现在没有（yǒu）这种（zhǒng）感觉。”

 

Shepherd的实验室以前（qián）创造了使用光（guāng）纤（xiān）检（jiǎn）测这种（zhǒng）变形的感官泡沫。对（duì）于光学（xué）花边项（xiàng）目，Xu使用由3-D印刷（shuā）聚氨酯（zhǐ）制成的柔性多孔（kǒng）网格（gé）结构。她用含有十几个机械传（chuán）感器的可拉伸光（guāng）纤穿过其（qí）核（hé）心，然后连接LED灯（dēng）照亮光纤。

 

当她在（zài）各（gè）个点按（àn）下晶格结构（gòu）时，传感器（qì）能够精确（què）定位光子流（liú）的变化。

 

许多生（shēng）物系统已经适应通过发展（zhǎn）缠绕的脑 - 身体关系在功能上与外部环境相（xiàng）互作用。这种复杂的安排允许后者感知世界，前者以闭环方式（shì）解释（shì）它。随（suí）着机器人（rén）在物理上越来越复（fù）杂，认知越来越（yuè）先（xiān）进，我们可以从动物神（shén）经（jīng）系（xì）统中获取灵感，为控制（zhì）机（jī）器人文物创造必要的基础。

 

通（tōng）过视（shì）觉，听（tīng）觉，嗅觉，味（wèi）觉，触觉，甚（shèn）至磁场和电场的解释，动物和（hé）植（zhí）物都能感受（shòu）到（dào）外在的感觉。本（běn）体感觉，自身身体部位的位置和状态的知识，也是（shì）通（tōng）过这些感觉（jiào）器官的某（mǒu）些组合（hé）来（lái）实现（xiàn）的; 特别是动物使用通过皮肤（fū）下的机械感受器感受（shòu）到的（de）振动和力，并通过肌肉和腱（jiàn）。根据（jù）这（zhè）些信（xìn）息，他们执行（háng）复杂的任务，例（lì）如在（zài）失明时操（cāo）纵（zòng）或（huò）在受伤时改变他们的行（háng）为（wéi）。
 

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本（běn）体感受泡（pào）沫圆（yuán）筒。
图片（piàn）来（lái）源：Xu等（děng），Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

目前（qián），自主机器人（rén）主要（yào）使用（yòng）放置在末端执行（háng）器（qì）上的（de）视觉（jiào）和触觉检测器进行外部感知和（hé）关节处的传感器（qì）以及用于（yú）本（běn）体感觉（jiào）的质心以完成复杂的（de）任务。如在（zài）动物的神经回路中那（nà）样（yàng），更（gèng）分散（sàn）的（de）传感器网络将允许机器（qì）人以更高的触（chù）觉分（fèn）辨率相（xiàng）互作用并且（qiě）测量随时间累（lèi）积的（de）机械损伤（即，弯曲或（huò）断裂的肢（zhī）体）。分布（bù）式体积传感的（de）重要性在软机器人领域更为（wéi）明显，其中机器的每个（gè）部分都会变形。在（zài）这些机器人，分布在整个身（shēn）体的伸缩（suō）传感器最近才用于反馈控制。

 

“当结构变形时，输入线和（hé）输出线之间会（huì）有接触，并且（qiě）光线会跳入结构中的这些（xiē）输出回路，这样你（nǐ）就可以知道接触发生的（de）位置，”徐说。“这种（zhǒng）强度决定（dìng）了变（biàn）形本身的强度。”
 

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展示（shì）了可以准确（què）检测出被按压位（wèi）置的外部感受“钢琴”。
图片（piàn）来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

Shepherd说，光学花边不会被用作机（jī）器人的皮肤（fū）涂层，但更像是肉体本（běn）身（shēn）。装有这种材料（liào）的（de）机器人将更（gèng）适合（hé）医疗保健行业（yè），特别是寿命终止和临（lín）终关（guān）怀以及制造（zào）业。
 

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展示了本（běn）体（tǐ）感受泡沫（mò）圆筒（tǒng），可以测量自身压缩水平（píng）。
图片来源：Xu等（děng），Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

虽然光学花边的灵敏度不如（rú）人类指（zhǐ）尖那（nà）么敏感，但是人体指（zhǐ）尖充（chōng）满了神（shén）经感（gǎn）受器（qì），但是（shì）这种（zhǒng）材料对人体的背部更敏感。这种材料也是（shì）可以清洗的，这导致了另一种应用：Shepherd的实验室已经成立了一家初创公司，将Xu的传感器商业（yè）化，制作（zuò）出可以（yǐ）测量人体形状（zhuàng）和运动的服装，用于增强现实训练。
 

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展示泡沫圆筒（tǒng）上的外部感（gǎn）知，可（kě）以检测到它被（bèi）触摸的位置（zhì）。
图片来（lái）源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）
 

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基于（yú）光学花边的机器人（rén）在多个位置（zhì）感应变（biàn）形的计算机模型。
图片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

该论文“合成（chéng）传入神经网（wǎng）络的光学花（huā）边（biān）”于（yú）9月11日在Science Robotics上发表（biǎo）。