用于机器人的软触觉感知皮肤

彼得·罗伯茨1 ·梅森·扎丹1 ·卡梅尔·马吉迪1

摘要

Purpose of Review 具备触觉压力感知能力的柔性电子皮肤（电子皮肤）有望赋予机器人系统类似于天然人类皮肤的躯体感觉特性。在本进展报告中，我们综述了在研制用于机器人触觉感知、模仿人类皮肤感知功能的柔性触觉压力感知皮肤方面的最新进展。

近期发现 对于柔性触觉压力感知皮肤，研究人员主要关注五种感知原理：（1）电阻式；（2）电容式；（3）磁性；（4）气压的；和（5）光学。这些传统感知技术与液态金属和磁性弹性体等柔性材料的结合，提升了人工皮肤的感知能力和机械特性。此外，通过采用人工智能和机器学习算法进行数据处理，使具备这些柔性传感皮肤的机器人系统获得了更强大的触觉能力。

总结 用于触觉感知的电子皮肤在从触觉技术、遥操作到仿生软体机器人等多种机器人学应用中起着核心作用。对于许多此类应用而言，电子皮肤必须具备柔软、轻薄、柔性、可拉伸和轻量的特点，以便能够安装在机器人上、集成到服装中或贴合于人类皮肤，而不会影响其移动性或接触力学特性。目前已有大量研究致力于实现机器人具备人类触觉的感知技术，在力反馈感知、纹理识别和空间敏锐度方面取得了重要进展。本文首先介绍人类触觉感知、机器人学以及人机交互中的触觉感知原理；接着概述可用于压力与力感知的柔性材料换能器，包括电阻式、电容式、磁性、气压的和光学的感知技术；最后总结了面向机器人应用的传感器设计与实现中的新兴趋势。

关键词 触觉感知 ·柔性电子 ·软体机器人学 ·导电弹性体 ·液态金属 ·磁性弹性体

引言

机器人触觉感知在帮助机器感知环境并与物体交互方面起着至关重要的作用。尽管相机、光子和光探测器、机器视觉以及其他非接触式感知模式也具有关键作用，但越来越多的机器人系统需要具备直接测量反作用力和刺激的能力。这种能力对于检测与表面的接触至关重要，操作物体，并安全地与人类互动[1]。这一点在人机交互、可穿戴机器人和仿生软体机器人等新兴领域尤为突出，这些领域的机器人系统必须采用能够模拟或与柔软的人体组织进行物理交互的材料来设计。

尽管近年来触觉传感器技术取得了令人瞩目的进展[2–5],，但其中许多技术仍较为刚性或笨重，无法满足人工皮肤所期望的机械特性。用于机器人感知的电子皮肤（E‐皮肤）的发展正 increasingly 依赖于由柔软、轻薄、柔性的、可拉伸的和轻质材料制成的柔性触觉传感器的研发。这些柔性传感器代表了一类新兴的技术[6]，有望显著提升机器人具备类似天然人体组织物理特性和本体感觉功能的能力。此类技术具备的特性使其成为理想的人工皮肤，具有足够的弹性以贴合多种表面，以及足够的机械顺应性，从而确保人机物理交互的安全性和舒适性[3, 7]。

在本进展报告中，我们将概述柔性材料结构的最新发展，这些结构可作为压力传感器，用于测量接触、力和表面压力。尽管机器人感知是一个涵盖机电一体化、计算机视觉、控制、状态估计和机器学习等多个方面的丰富领域，但我们的重点将放在柔性传感器的力学与物理特性，以及机械载荷如何转化为电子测量信号的机制上。第一部分从人类自然感知到当前机器人触觉的实践，对触觉感知进行了概述。第二部分介绍近年来在软体机器人感知中广泛应用的一些传感机制：电阻式、电容式、磁性、气压的和光学传感器。最后一部分总结了柔性软触觉传感器发展的当前趋势与方向。本文旨在报告柔性触觉压力感知领域的最新进展和当前趋势，而非对电子皮肤或机器人感知进行全面综述。如需更全面的了解，读者可参考文献中更为详尽的综述文章（例如[8–12]）。

触觉感知概述

触觉是人类最早发育的感觉，能够感知温度、纹理，识别形状，提供力反馈并进行交流。为了完成这些功能，人类皮肤遍布着成千上万的受体，这些受体可分为热感受器（温度感知）、伤害性感受器（疼痛/损伤识别）和机械感受器（机械刺激）。这些受体共同构成了复杂的感官体系。

机械感受器，即机械感受性传入神经元，能够感知机械刺激，使身体具备识别形状、纹理、物体顺应性、力感知以及空间敏锐度的能力。机械感受器接收机械刺激输入，并将该信息以动作电位的形式输出。这些信息随后通过神经传递到大脑[6, 8]。复制机械感受器的特性一直是机器人操作、人机交互和可穿戴机器人领域的研究目标。对于机器人触觉感知皮肤而言，机械输入刺激通过多种模式被转化为电信号或磁性信号的变化。这些模式包括电阻、电容、介电常数、磁场或光强度[20]的变化。这些原始数据以及传感模式的材料属性随后被用于输出可用于反馈的有用信息。

对于机器人操作而言，抓握力控制对于避免被抓取物体的滑移和/或损坏尤为重要[21]。在滑移检测方面，触觉反馈一直是主要使用的感觉功能，如[2],中所述；而力反馈则在抓握中得到了广泛探索，如[21, 22]中所描述。可穿戴机器人系统也利用了触觉传感器，主要用于遥操作机器人或虚拟现实平台的触觉界面[23–26]。在这些应用中，触觉传感器与触觉执行器和反馈控制相结合，使用户能够感知触感、触觉或机械接触[27]。

在人机交互（HRI）领域，计算机视觉[28, 29]和语音识别[30–32]通常被用作主要的感知和交互方式。然而，人们逐渐认识到人类触觉和触觉人机交互（tactile HRI）是一种重要的物理交互方式[33]。为了赋予机器人触觉感知能力，已开发出多种技术，每种技术都试图完成以下任务：通过测量静态和动态力来检测与物体的接触；测量接触力的大小和方向以实现稳定抓握；在物体操作过程中识别接触点的位置及其相对位置的变化；检测切向于接触点的力以监测滑移；识别与物体材料属性（如刚度、弹性和表面纹理）相关的力的变化。

柔性触觉传感器

在过去十年中，利用多种材料和转换机制制造柔性触觉传感器取得了巨大进展。本文将回顾一些主流方法的研究进展，这些方法利用机械负载引起的电阻、电容、磁场、气压变化以及光传输/反射的变化来实现传感。

电阻式感知皮肤

在各种软传感机器人皮肤技术中，基于电阻的传感器尤其受欢迎。其中一种方法是将导电流体的通道或空腔嵌入软聚合物中。当施加外力或压力时，流体会被挤压，其电阻增加（图1a）。该原理已被应用

对于离子液体[36–38]和镓基液态金属（LM）合金[34]均适用。这类传感器已在多篇综述论文中讨论过，这些论文分别聚焦于液态金属和柔性微流控技术，例如[39]和[40],。最近一个利用基于电阻式液态金属的触觉传感器进行机器人实现的例子如图1b 和 c 所示[35]。该机器人皮肤采用高密度蛇形微流控液态金属通道，用于接触检测和抓取分类。为了进一步提高这些传感器的灵敏度和动态范围，研究人员研究了通道横截面几何形状对机电响应的影响[41],，并探索了在横截面中引入微球以提高这些柔性传感器的灵敏度和线性度[42]。

另一种流行的方法是将压阻材料置于重叠的电极阵列之间。当施加压力时，材料被挤压，从而改变重叠电极之间的电阻。压阻油墨尤其受欢迎，已被用于商用压阻压力阵列，例如Tekscan公司生产的产品。其他方法包括使用泡沫材料[44–46],压电材料[47, 48],导电水凝胶微球[49],和碳纳米管[50]。例如，文献[51]描述了一种基于分级压力峰值效应的电阻式触觉传感器。该方法实现了宽检测范围和高灵敏度，可用于检测足底压力、呼吸、脉搏和指尖心率等不同压力刺激。

该手套能够实现物体检测，并通过置于重叠导电纤维阵列之间的力敏薄膜的压阻响应来实现压力感知。压电压力传感器还被用于触觉反馈。通过利用柔性传感皮肤的压电电阻变化，使皮肤下方线圈中的电流发生变化。该电流在磁铁上产生力，从而向上或向下驱动压阻式皮肤，向人体提供触觉反馈[52]。

在结合基于流体的电阻式传感与其他传感机制以解耦由压缩、弯曲和拉伸引起的多种机械变形模式方面也取得了进展。图3a 和 b 所示的传感器采用导电织物薄膜包围的离子导电液体通道，实现电阻式传感[53]。当传感器在压力下被拉伸或压缩时，此类变形会导致离子通道或导电织物壁的电阻发生变化。

本节讨论的软体电阻式触觉皮肤的选择绝非详尽无遗，仅代表软体机器人传感领域最近进展的一小部分。如需更全面的概述，感兴趣的读者可参考 Chortos 等人[8] 和 杨等人[11]的综述论文。

电容传感皮肤

电容式传感是制造柔性触觉传感皮肤的另一种流行方法[60–62]。这类传感器通常通过测量被介电弹性体[63]或空气间隙[64]分隔的两个重叠电极之间电容的变化来实现。旋涂离子电子薄膜也被用作介电材料，显示出在低于1.5 千帕的压力下实现高灵敏度传感的潜力（图4a 和 b）[54]。这种电容变化由施加的压力引起，压力使电极变形，导致间隙减小和/或重叠面积增加以增加[65]。一项研究采用导电水凝胶作为电极，并使用嵌有ZnS的弹性体作为介电中心层。这种触觉感知皮肤不仅在受到压力时表现出电容变化，还充当了超弹性发光电容器（HLEC），模拟章鱼的变色特性（图 4c和d）[55]。研究人员还制造了将碳纳米纤维或石墨烯纳米片悬浮于聚合物中的电极，以及嵌入 Ecoflex弹性体中的液态金属[66],。[67]此外，还将嵌入液态金属合金的泡沫材料用作电容式触觉传感的柔性介电材料[56]。

除了接触力和表面压力外，电容式传感器还能检测接近检测。这类传感器依赖于非接触物体的导电性，例如人手指，其可作为对电极发挥作用。最近一项研究利用电气电容层析成像技术来检测靠近或接触电极阵列的物体的运动[68]。另一项研究表征了使用聚合物按需喷墨打印（DOD）技术制造的柔性电容传感器的接近检测性能[69]。该传感器能够在最远60毫米的距离上实现非接触式接近检测。

磁感应皮肤

柔性触觉传感的一个新兴趋势是将磁化微粒分散嵌入弹性体中。当施加压力时，弹性体发生形变，微粒移动和旋转，导致内部磁场发生变化。这种磁场变化由放置在弹性体内或附近的磁力计进行监测。这种触觉感知方法最初由Hellebrekers等提出[57]并已被其他多个研究小组研究[58, 71]。由于弹性体可以嵌入高浓度的磁性颗粒，因此触觉感知可以在连续区域而非离散节点上实现。将原始磁场数据转换为表面压力的作用位置和强度需要基于机器学习的数据驱动技术[72]。一项研究通过二次判别分析，能够在15毫米区域中区分25个网格位置，准确率达到98%以上（图5a–c）[57]。

最近的研究表明，磁性触觉皮肤可用于机器人抓取任务中的定位和力反馈[73],以及用于四肢瘫痪患者的面部运动追踪（图5d）[58, 70]。相关研究人员还探索了磁性传感器的开发，其中通过跟踪电磁线圈之间磁场耦合的变化来监测压力[74–76]。另一类磁敏皮肤则基于环境中磁场的变化。此类传感器在Canon Bermudez等人的近期综述论文中有更详细的描述[77]。

光学传感皮肤

光学传感器能够通过光在材料中传播时光强的变化来识别压力变化。这些传感器基于光源、调制器、发射器和用于光检测的光敏元件，如相机或光电二极管[81]。图6a展示了Gelsight传感器，它由一个数字相机组成，相机上覆盖着涂有反射膜的弹性体[78]。当施加压力时，弹性体会发生变形，表面牵引力通过相机检测到的弹性体表面的位移进行估计。

光学传感器还采用软聚合物作为传输介质。弹性变形会导致折射率发生变化的聚合物或光纤电缆，从而建立应变与光强度[53, 82–84]之间的关系。这些柔性传感器具有较低的电磁敏感性干扰且响应速度快[18]。图像处理也已通过在柔性的弹性体表面使用视觉标记以及微型化技术来实现接触检测摄像头以检测标记点的位置变化，并将此信息处理成接触力大小[80, 85, 86]。

气压感知皮肤

在液压或气动回路中使用气压监测作为机器人操作中的触觉感知手段已有很长的历史[17]。对工作流体内的压力进行感知可实现高频响应，并有利于振动传播[22],，从而实现纹理识别和滑移检测。近年来，越来越多地采用由微机电气压传感器构成的压力感知皮肤，该传感器后部填充有硅橡胶等软弹性体[59, 80, 87]。这种方法已被应用于商业压力传感器中，例如 RightHand Robotics公司生产的TakkTile传感器和 SynTouch公司生产的BioTac传感器。参考图6b，BioTac传感器集成了多种传感模式，用于测量表面牵引力和振动[79]。其中包括嵌入于弹性体密封流体介质中的微型气压传感器，用于测量由接触力产生的内部静水压力。一般来说，使用柔软的气动传感腔室能够实现所需的机械性能（柔韧性、顺应性、弹性）以及与人机接口兼容的可靠传感器特性[88, 89]。此外，将气压感知与其他传感模式相结合的研究也取得了令人兴奋的进展。除了 SynTouch公司的BioTac之外，最近报道的无线感知贴片也展示了集成气压芯片的多模态感知能力。[80]如图6c所示，该贴片包含基于微机电系统的气压传感器，以及用于接近检测和形状扫描的飞行时间与光子传感芯片。该电路被安装在NASA Robonaut 2人形机器人的指尖上，用于物体扫描和力/接触检测（图6d）。与 TakkTile传感器类似，该实现中使用的气压芯片被密封在软弹性体中，并通过检测弹性体内部静水压力的变化来测量表面牵引力。

趋势与未来展望

实现人类皮肤的感知能力和机械特性仍然是机器人学和软材料工程领域的一个重要目标。除了本文回顾的方法和论文（表1）之外，目前仍在不断开发用于检测力和压力的新机制，这些机制基于柔性材料。例如，最近的研究也开始探索利用摩擦电效应进行触觉感知[91–93]。此外，进展不仅限于新材料和转换机制。该领域的发展还依赖于机器学习在将柔性传感器的原始数据映射为准确的压力强度和位置测量方面的进一步进步[94–99]。

该领域的另一个最新研究方向是开发抗机械损伤且具有自修复能力的柔性触觉传感皮肤。近年来的多项研究已探索了自修复机器人皮肤[90, 100, 101]。此类技术有望增强机器人系统的韧性，并减少人工维护和干预的需求。与此同时，机器人皮肤在损伤检测方面的开发也取得了进展[102,103]。这些传感皮肤并非测量力或压力，而是能够检测穿刺、撕裂或其他可能威胁机器人材料完整性的机械损伤。

最后，未来的工作应着重于进一步开发多模态传感皮肤，将压力和力检测与其他感知和成像模式相结合。这包括弹性可变形机器人皮肤，其将触觉感知与本体感知、生理监测和视觉感知相融合。尽管该领域已取得一些令人鼓舞的进展[35, 53, 104–106],，但仍存在广阔的发展空间。

表1 文中所述选定的机器人感知皮肤对比图表

感知模式	动态范围	带宽	材料属性	亮点	Ref.
电容式	14 千帕	40 毫秒	40% 应变，弹性体	基于接近感应	[69]
电容式和电阻式	110 千帕	5.4 千帕下33毫秒加载和19毫秒用于卸载	基于弹性体的泡沫含镍微粒‐ 和杨氏模量‐ 为0.79兆帕	自修复和近距离感知	[90]
磁性	0.14–2.4牛顿	50赫兹	弹性体和磁性	基于磁性颗粒的皮肤高分辨率传感	[57]
电阻式和光学	292 千帕	N/A	50%最大应变，fabricated with弹性体覆盖层,导电织物 ,和离子的微流控通道，带有波纹‐uide	多模态	[53]
电阻式	0.04–600 千帕	< 60 ms	基于弹性体的皮肤	高压范围	[51]
气压的	140 千帕	100 赫兹	柔性PCB支架 BMP388 微机电系统覆盖层厚度为3毫米硅橡胶。邵氏硬度为13A	高分辨率和灵敏度‐ 良好线性度和低滞后性	[59]
光学	> 0.05 N	30赫兹	0.145兆帕 新胡克弹性体 覆盖在刚性相机和发光二极管上	用于光度立体高分辨率用于空间敏锐度和纹理感知	[78]