可拉伸觸覺(jué)傳感器對(duì)于機(jī)器人仿生皮膚實(shí)現(xiàn)環(huán)境交互和多模態(tài)感知至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的二維傳感器受限于平面架構(gòu)，難以在滑動(dòng)等動(dòng)態(tài)交互中解析復(fù)雜的3D觸覺(jué)信息，且現(xiàn)有的3D曲面?zhèn)鞲衅髦圃齑蠖嘁蕾?lài)于復(fù)雜的轉(zhuǎn)移打印技術(shù)，面臨規(guī)模化量產(chǎn)的巨大挑戰(zhàn)。電子科技大學(xué)黃振龍及林淵等研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“Three-Dimensional Stretchable Tactile Sensors for Robotic Bionic Skin”的研究論文。該研究受鱷魚(yú)皮膚3D褶皺表皮的啟發(fā)，提出了一種將3D打印、材料創(chuàng)新與激光直寫(xiě)技術(shù)相結(jié)合的全新策略，直接在3D基底上構(gòu)建可拉伸觸覺(jué)傳感器陣列及無(wú)縫多層互連。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低于0.5毫秒的響應(yīng)時(shí)間和高達(dá)473.33 Hz的運(yùn)行頻率，并在亞米級(jí)薄膜上集成了900個(gè)傳感器，結(jié)合深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜圖案100%的識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖注說(shuō)明

圖 1：固有3D曲面電子皮膚的設(shè)計(jì)與制造。(a) 用于機(jī)器人應(yīng)用的大面積仿生皮膚示意圖；(b) 具有多層架構(gòu)的3D觸覺(jué)傳感器示意圖，顯示了層間通過(guò)通孔的電氣互連；(c) 在3D曲面上原位生長(zhǎng)金屬傳感層的示意圖；(d) 3D觸覺(jué)傳感器的顯微照片；(e) 3D觸覺(jué)傳感器的激光掃描共聚焦顯微鏡圖像；(f) 復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的高分辨率X射線(xiàn)圖像；(g) 鱷魚(yú)表皮斑點(diǎn)示意圖；(h) 傳感器對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的示意圖；(i) 3D觸覺(jué)傳感器在圓柱形表面彎曲的圖像；(j) 大面積傳感器陣列及處于拉伸變形下的陣列圖像；(k) 集成到機(jī)械手上的3D觸覺(jué)傳感器圖像。

圖 2：3D觸覺(jué)傳感器的性能。(a) 3D觸覺(jué)傳感器示意圖；(b) 3D觸覺(jué)傳感器詳細(xì)圖像；(c) 頂視SEM圖像和相應(yīng)的EDS圖像；(d) 滑動(dòng)接觸期間3D觸覺(jué)傳感器中的模擬應(yīng)變分布；(e) 傳感器在重復(fù)機(jī)械負(fù)載下的循環(huán)性能；(f) 傳感器在垂直法向壓力下的響應(yīng)；(g) 使用不同MWCNT濃度制造的傳感器在滑動(dòng)過(guò)程中的電阻變化；(h) 敏感區(qū)域位于金字塔結(jié)構(gòu)底部和腰部的傳感器比較；(i) 具有不同微結(jié)構(gòu)高度的傳感器的電阻響應(yīng)；(j) 傳感器對(duì)粗糙和精細(xì)周期性紋理的觸覺(jué)響應(yīng)；(k) 峰值頻率與滑動(dòng)速度之間的線(xiàn)性關(guān)系。

圖 3：自適應(yīng)及高精度紋理方向識(shí)別。(a) 3D觸覺(jué)傳感器在周期性紋理上以不同角度滑動(dòng)；(b) 峰值頻率對(duì)應(yīng)于平行于紋理方向的滑動(dòng)速度分量；(c) 傳感器相對(duì)于底層紋理表現(xiàn)出角度偏差導(dǎo)致可區(qū)分的光譜峰值差異；(d) 配置用于自適應(yīng)角度識(shí)別的四個(gè)傳感單元示意圖；(e) 使用自適應(yīng)傳感配置進(jìn)行角度識(shí)別的計(jì)算原理示意圖；(f-h) 在以不同角度滑動(dòng)后的四個(gè)傳感單元的頻譜。

圖 4：用于滑動(dòng)路徑重建的傳感器陣列。(a) 用于檢測(cè)滑動(dòng)接觸的3D觸覺(jué)傳感器陣列示意圖；(b) 傳感器陣列在拉伸變形下的圖像；(c) 共形附著在圓柱形表面上的傳感器陣列圖像；(d-o) 基于單個(gè)傳感單元電阻映射的滑動(dòng)路徑重建，分別對(duì)應(yīng)“S”、“I”和“A”形軌跡的電阻貼圖、時(shí)域信號(hào)及方向識(shí)別結(jié)果。

圖 5：集成到機(jī)器人中進(jìn)行3D表面識(shí)別。(a) 集成到機(jī)械手中的3D觸覺(jué)傳感器的示意圖和照片；(b) 高速多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖；(c) 3D觸覺(jué)傳感器陣列中傳感單元的時(shí)域信號(hào)；(d) 單個(gè)傳感單元的時(shí)域信號(hào)；(e) 基于滑動(dòng)觸覺(jué)數(shù)據(jù)的3D漢字結(jié)構(gòu)重建；(f) 用于識(shí)別復(fù)雜紋理圖案的基于深度學(xué)習(xí)的算法框圖；(g) 使用PCA和k-means聚類(lèi)對(duì)不同數(shù)據(jù)集的可視化；(h) 基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別結(jié)果，顯示出對(duì)復(fù)雜3D漢字結(jié)構(gòu)的平均準(zhǔn)確率為100%。

總結(jié)

該項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)平面集成的限制，實(shí)現(xiàn)了向可擴(kuò)展3D制造的跨越。這不僅為開(kāi)發(fā)具有超高時(shí)空分辨率的下一代機(jī)器人仿生皮膚提供了平臺(tái)，也極大拓展了智能感知系統(tǒng)的應(yīng)用邊界。

參考文獻(xiàn)：Hongwei Xie, et al. Three-Dimensional Stretchable Tactile Sensors for Robotic Bionic Skin. Advanced Materials, 2026.

來(lái)源：國(guó)際仿生工程學(xué)會(huì)