觸覺在我們直接感知周圍物體方面發揮著重要作用。例如，我們用觸覺來判斷物體是重還是輕，或者是桌子、塑料還是木頭材質等。這種感知對于人類完成日常任務至關重要，例如舉起酒杯，插拔充電線纜等。目前開發出的觸覺傳感器采用了多種不同的傳感方式，例如電阻式、電容式、光阻式、鐵電式或摩擦電式等。每種技術通常都組裝成網格狀，以覆蓋所需要的傳感區域。一般來說，為了優化觸覺傳感分辨率，最好采用高密度、占位面積較小的網格，每個傳感元件都用細線連接，以記錄電信號。然而，這種設置通常會受到機械應變、電磁噪聲和單元間串擾等影響。新開發的制造技術以及深度學習技術的應用，可以減少其中一些問題的影響。然而，迄今的研究證明這些技術很難在機器人設計和擴展中實現進一步突破。
高分辨率觸覺傳感為機器人技術帶來了巨大優勢，可以實現靈巧操作、物體和紋理識別、材料表征以及物體姿態估計等功能。最流行的高分辨率觸覺傳感器被稱為“基于攝像頭”或“基于視覺”的觸覺傳感器（VBTS）。利用位于傳感器內的小型攝像頭透過透明彈性體觀測不透明的外膜（即“皮膚”）。外膜在被觸摸時會發生變形，攝像頭會記錄變形的過程。在這些傳感器中，GelSight傳感器應用最為廣泛，它們利用了光以不同角度照射薄膜時產生的陰影圖像。多種顏色的光從不同方向照射薄膜，應用光度立體算法可以將陰影信號轉換成3D深度圖。
（A）人手和帶有觸覺傳感器的機器人手操縱雞蛋，最右側圖為指尖GelSight傳感器的放大圖；（B）指尖觸覺傳感器及重要光學元件的剖視圖；（C）傳感器內部的光路圖。
GelSight傳感器的性能主要取決于內部照明模式，而內部照明模式在不同的接觸幾何形狀下存在差異。要預測傳感器將機械信號（變形）轉換為光學信號（圖像）的模式，需要了解器件內部的完整光場，即所有位置、所有方向、所有顏色的光分布。這使問題變得相當復雜，因為良好的照明系統涉及來自表面的多次反射，而這些表面可能具有各自復雜的光學特性，光學元件的特性或幾何形狀的微小變化都可能對傳感器的精度產生明顯影響。此外，機器人指尖的空間有限，緊湊地排列光學元件非常困難，這通常意味著無法獲得完美的設計，而只能通過權衡實現相對較優的設計。目前的設計主要是通過反復試驗開發出來的。由于缺乏良好的仿真，這一過程費時費力又容易出錯。要在機器人中應用這些觸覺傳感器，對仿真的需求日益重要。只有通過仿真才能滿足機器學習對數據的需求。因此，無論是傳感器設計還是在機器人中部署傳感器，都需要精確的仿真。
觸覺傳感器設計流程，從傳感器形狀生成開始，采用低維曲線參數化、傳感器材料屬性選擇和照明系統設計，以程序化方式進行新設計。
據麥姆斯咨詢介紹，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、麻省理工學院和卡內基梅隆大學的研究人員為機器人設計GelSight傳感器探索了一種更好的方法，為設計過程引入了一種包含通用光學仿真工具的系統框架。研究人員提出利用計算工具執行設計流程，生成虛擬設計，應用光學仿真生成觸覺圖像，并通過目標函數評估性能。這種設計流程可以連接面向自動設計的優化算法。憑借新的框架，可以輕松地將傳感器設計過程從數月縮短到幾周。
程序化傳感器生成和設計評估框架
研究人員提出了一種利用光學仿真進行基于視覺的觸覺傳感器（VBTS）設計的框架。該框架利用低維曲線參數化實現了曲面觸覺傳感器的自動化生成，并利用新穎的RGB2Normal目標函數對傳感器設計進行排序。
該框架實現了在仿真中迭代指尖傳感器的設計。在3D表面重建方面，研究人員比較了仿真和實際實驗中的人類專家設計和框架優化設計。通過利用新穎的目標函數和設計框架對關鍵傳感器的設計空間進行了探索。參數空間探索能夠確定設計VBTS的關鍵原則。此外，該研究還展示了曲面觸覺傳感器的兩種機器人應用：機器人抓取和表面檢測。研究人員突出展示了曲面觸覺傳感表面的優勢，并表明在機器人表面檢測方面，該框架優化的傳感器設計明顯優于人類專家的設計。
人類專家設計和優化傳感器設計的定性結果
研究人員將這種傳感器設計流程應用于GelSight傳感器的圓形指尖設計，這種設計非常適合靈巧的機器人手。傳感器的圓形限制使得光學系統的設計更具挑戰性，因為，照明系統需要均勻地照亮較大的曲面，并在不同的表面法線上產生良好的反射。研究人員用了參考文獻中提出的傳感器初始化設計程序，使用波導板均勻地引導整個傳感器曲面上的光線。然而，光學系統的質量對傳感器幾何形狀、光的選擇和反射材料的細微變化非常敏感。為了探索這些設計因素的影響，研究人員使用基于物理的渲染（PBR）技術對傳感器進行了仿真。PBR是一種模擬真實世界中光與物體表面相互作用的渲染技術。PBR通過物理原理來計算光照和材質的反應，使得渲染結果更加逼真和一致。PBR已被用于設計光機械和光聲器件。
基于視覺的觸覺傳感器（VBTS）設計框架的通用性
該研究提出的的VBTS數字設計框架由三個關鍵部分組成：完全通用的開源光學仿真框架；用于程序化可控傳感器設計的低維曲線參數化；以及傳感器設計評估程序。研究人員精心選擇了一個開源工具來創建光學仿真框架，以便于訪問和輕松添加新的光學元件。由于其仿真是基于物理的渲染，因此可用于仿真任何VBTS傳感器并生成物理逼真的觸覺圖像，而無需收集大量的傳感器特定數據。這種仿真可用于協同設計機器人結構和光學系統。
該框架能夠通過計算技術設計出各種新型VBTS和光學器件，支持新用戶為其特定的機器人應用開發VBTS。其仿真框架基于開源工具，允許納入新的光學元件并擴展框架，以考慮各種新型照明系統，例如用于照明系統的熒光涂料。
本文所提出的仿真框架依賴于光和涂層材料的精確模型。研究人員利用在計算機圖形學領域提出的低維物理模型開發了捕捉光和涂層材料特性的技術。如果要加入更具挑戰性的照明設置，用戶可能需要使用更復雜的技術。所提出的目標函數基于創建顏色和表面法線之間的映射，因為該研究的主要目標是為機器人應用恢復表面法線。不過，在設計觸覺傳感器時，法向力或剪切力等其他量也是有用的特性。通過考量顏色與力之間的關系，很容易擴展解釋這些特征。不過，如何評估用于特定機器人應用的VBTS仍然是一個有待解決的問題。研究人員相信這項工作使設計過程可量化，并為未來的VBTS研究提供了一種數據驅動的新方法。
總而言之，本研究提出了首個計算設計框架，可自動生成傳感器、評估設計并優化VBTS。研究人員展示了該設計框架對VBTS設計的實用性。更廣泛地說，研究人員希望在計算機圖形學（基于物理的渲染和仿真）、光學（光學透鏡和材料設計）和機器人學等不同領域之間搭建一座橋梁，推動這些領域內部或之間的新研究。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00350-4
延伸閱讀：
《觸覺技術及市場-2024版》
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
