能感知一个苹果的成熟度 浙江为机器人覆上“电子皮肤”

　　浙江在线6月24日讯（记者 沈烨婷）你是否想过，机器人也能拥有像人类一样敏感的触觉？

　　长久以来，机器人难以精准感知压力、摩擦力等复杂的触觉信号，这让它们在手部精密操作时显得“笨手笨脚”。如今，这一局面正在被悄然改写。

　　浙江清华柔性电子技术研究院的一项新成果——一种多向仿生触觉传感“皮肤”，攻克了“机器人三维触觉力感知”这一重大难题，以三维柔性新架构实现同时直接识别压力与摩擦力，让机器人拥有了真实的“触感”。

　　“电子皮肤”——这个科幻小说中的想象，如今正从实验室悄然溢出，编织出人与机器共生的新故事。

　　机器人有了“皮肤”，意味着什么

　　冰水的沁凉，炉火的温暖，清风拂面，石子硌脚，这些外界信息都是通过皮肤传导给大脑。人类因而能依靠皮肤感受到的压力和摩擦力，小心地完成易碎物品的取物动作。

　　让机器人拿起一块豆腐，有多难？难就难在那股“拿捏”的劲儿：劲儿小了，抓不住；大了，一不小心就捏碎了。传统的工厂机械臂，手指就像戴了厚厚的手套，只能大概感觉到“有东西”的单一压力，分不清这个东西是玻璃杯还是毛茸玩具熊。

　　“我们通过柔性触觉传感器，采集压力、温度等多种信号，进而实现压力检测、温度检测、纹理识别等功能，让机器人‘长’出了电子皮肤。”清华大学柔性电子国家级重点实验室副研究员、浙江清华柔性电子技术研究院技术专家陈毅豪说。

　　人体皮肤分为表皮、真皮和皮下组织等三层，电子皮肤的仿生设计理念，结构也分为同样的三层。

　　触觉的关键，是承担感知刺激等功能的“真皮层”。电子皮肤的“真皮层”也集中了大部分传感器及电路，食指尖大小的面积内，就布满了200多个微小金属传感器。

　　陈毅豪解释，力传感单元更靠近皮肤表面，对外部压力极其敏感；应变传感器则位于底部，与力传感单元保持一定距离；皮下组织层则是最内层，主要感知整体变形。“这种三维结构，让电子皮肤能够同时感知并区分压力、摩擦力和应变。”陈毅豪说，它的感知精度可以达到毫牛级别，差不多能感知一根头发放在皮肤上的位置，精度已经非常接近人类皮肤的极限。

　　就像大脑需要解读神经信号，电子皮肤也需要“神经中枢”来理解这些数据。清华柔电院为电子皮肤搭配了信号处理芯片与深度学习算法，机器人就能够快速处理和解读这些复杂的信号。

　　在实验现场，机械手拿起一个苹果，它很快就反馈了苹果的硬度、新鲜度等感知数据。

　　更让人惊讶的是，这款电子皮肤也像人类皮肤一样柔软，可以贴合弯曲、形变等各种复杂的曲面。这得益于电子皮肤传感器之间的蛇形结构，与传统直互联相比，它能在弯曲变形条件下实现对压力和摩擦力的同步测量。

　　五年，闯过科技“无人区”

　　“5年前，我们团队开始瞄准电子皮肤的柔性电子传感器开展科研攻关，那时候拥有‘大脑’的人形机器人还没有诞生。”陈毅豪说，科技创新，就是要勇闯无人领航的“无人区”。

　　“无材料、无装备、无标准”，这是他们面临的最大困境。仅为了确认传感器的原理和种类，团队就花了近2年时间。

　　更大的挑战来自触觉传感领域。为了解决相应的力学测试问题，团队引入力学领域专家力量。2023年，团队克服传统刚性传感器又厚又硬的特质，终于“死磕”出了能够从物理层面直接识别压力、摩擦力和应变的多向仿生触觉传感“皮肤”。

　　陈毅豪记得，那天，他们几个人围在实验桌旁，检测电子皮肤能否感知不同水果的成熟度。他们选取了猕猴桃、桃子、李子和西梅4种水果，结果显示，电子皮肤仅靠触碰，就能准确区分4种水果的不同成熟状态。“成了！”不知现场谁喊了一句，大家都不约而同地欢呼起来。

　　而在陈毅豪等人埋首闯关之时，人形机器人的发展也步入“快车道”。2022年，特斯拉正式发布人形机器人Optimus（擎天柱）；2024年，我国自主研发的通用人形机器人“天工”亮相，此后，写毛笔字、翻跟斗、泡工夫茶……拥有“十八般武艺”的国产人形机器人不断涌现。随着人工智能算法、核心零部件、智能制造等技术的不断发展，人行机器人正在全方位走进人们的生活。

　　有了仿生的大脑和骨骼，对于更高追求的具身智能（指机器人、无人机、智能汽车等智能体，能够通过身体与环境的动态交互实现自主学习和进化），迫切需要传感器来搜集外界信息。因此，触觉传感器被部分业内人士称作“具身智能的最后一块拼图”。

　　“这道难题，现在我们有了自己的解法。”陈毅豪说，正是前瞻性的科学攻关，让他们快人一步，在国际上首次研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤系统，该成果也发表在国际学术期刊《先进传感研究》杂志上。

　　触觉之后，还需要哪些“能力拼图”

　　今年6月3日，浙江清华柔性电子技术研究院与浙江福莱新材料股份有限公司正式签约共建智能感知联合实验室，将聚焦柔性电子皮肤、超宽域压力传感器两大核心研究领域，围绕多模态感知、材料创新、智能集成与场景化应用开展研究。

　　6月5日，福莱新材发布机器人触觉第二代新品，融合了柔电院的技术加持，这款产品实现了触觉的全覆盖，指尖、指腹、手心、手背都具备完整的三维力感知能力。目前企业的首条柔性传感器中试产线现已达成，产品未来将实现批量供货。

　　电子皮肤，正从技术热潮走向商业理性。据高工产业研究院预测，2030年全球人形机器人领域对柔性触觉传感器的需求规模将达152.5万平方米，市场规模将达274亿元。

　　不过，也有业内人士认为，柔性触觉传感器的发展仍处于起步阶段，且国内产品性能与国外存在一定差距，在灵敏度、耐久性、多模态集成等关键技术上面临挑战。

　　穿上电子皮肤的机器人，将如何改变这个世界？福莱新材相关负责人表示，企业产品的应用场景将定位在精密制造（电子产品组装、精密零件操作）、医疗康复（手术机器人、康复训练设备）、服务机器人（家庭护理、物品抓取和操作）、工业自动化（质量检测、材料分拣）等。

　　陈毅豪说，试想一下，在工业生产领域，人形机器人的电子皮肤能够敏锐地感知零件的形状、位置和力度，就像人类的手一样，实时调整力度和角度，灵活而准确地抓取和安装零件。

　　而对于失去肢体或烧伤的患者来说，电子皮肤或能给他们带来“新生”。当智能假肢、植皮区域覆盖上电子皮肤后，使用者也许能够重新获得真实的触觉反馈，感受爱人拥抱的温度和孩子脸颊的柔软……

　　陈毅豪和团队成员们还在研究电子皮肤的高密度集成，“在同一表面上，集成的传感单元越多，感知的精度和灵敏度就会更高，在未来，可以无限趋近于人类甚至是超越人类。”