让机器人“拥有”人一样的敏感触觉

皮肤是人体最大的感觉器官，是人与外界环境接触交流的重要部分。它赋予人类感知不同形状纹理、温度变化和接触压力的能力。在生物学上，皮肤感知外界的重要媒介是嵌于皮肤下的各种感知受体，这些感知受体能将外界与皮肤接触产生的信息转换成电信号。

对于人类来说，触觉在我们日常生活工作中起着至关重要的作用。触摸与视觉相结合对于拾取物体等任务至关重要。而在机器人操纵领域，对于拿起不同的粗糙度表面的东西需要用多大的力，以怎样的姿势拿比较合适，这些对于人类来说再简单不过的问题，对机器人来说显然并不那么轻松。其中机器人手或抓手在拾取物体的同时需要增加触觉才可以消除在抓取柔软，易碎和可变形物体时所选择的力的不确定性。因此，电子皮肤是从根源上解决该问题的关键。

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何为电子皮肤？

顾名思义，它是一种人造的类皮肤的电学器件，其基本作用是模拟人类皮肤的功能。电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激（压力、温度、湿度）的新型电子器件。在电子皮肤的各种感知能力中，触觉感知尤为重要。在过去几十年中，电子皮肤因在智能机器人、健康监测、可穿戴设备和人机交互方面具有广阔的应用前景而备受全球瞩目。

在此背景下，中国科学院上海高等研究院曾祥琼研究员的研究团队从模拟人体皮肤传感机制和结构出发，创造性地将聚二甲基硅氧烷微球（PDMS微球）与石墨烯相结合，设计了一种基于指纹结构的新型多功能电子皮肤；利用石墨烯-PDMS微球油墨进行3D打印，构建了具有指纹微结构的石墨烯基多功能触觉感知电子皮肤器件，在此基础上提出了对于不同粗糙度表面的摩擦力检测方案。

图1 触觉传感器设计原理及3D打印流程 a)制备PDMS-石墨烯复合油墨的流程示意图；b)传感器灵敏层3D打印示意图；c)通过处理触觉信号区分不同粗糙度表面示意图

那么，电子皮肤究竟是如何区分不同粗糙度表面的呢？

通过对电子皮肤传感性能的研究发现，所构建的传感器不仅对压力具有灵敏响应，而且能有效反馈摩擦力的大小，因此利用传感器这一特性可以区分出具有不同粗糙度的表面，从而实现对物体表面的粗糙度、硬度等信息的有效区分和识别。

图2 a) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌；b) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度(Sa) ；c) 人体手指对不同粗糙度表面的触觉反应实验示意图；d)手指与不同表面作用下的平均摩擦系数；e) 实验装置示意图；f) 压力载荷(1N)作用于不同表面粗糙度的激光加工表面滑动时的摩擦力曲线；g) 摩擦力作用下传感器的电阻变化。

通过风载实验，验证了石墨烯-PDMS微球触觉传感器还能够对气体等流体进行有效的响应。这表明石墨烯-PDMS微球触觉传感器不仅可以运用到电子皮肤，用于对不同粗糙度表面的检测，而且还能扩展到其他应用，如气流监测、声音检测等。这项工作为可穿戴式传感提供了新途径，为电子皮肤的发展提供了新的思路。

参考文献：H. H. Wang, Y.M. Cen, X.Q. Zeng, Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking the Microstructure Perception Behavior of Human Skin, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 24, 28538–28545