當前，具身抓取系統在應對復雜多變的環境與目標對象時，普遍面臨感知輸入不足、反饋調節不靈活等挑戰。傳統觸覺傳感器結構單一，存在靈敏度低、響應范圍窄的問題，難以實現壓力信息的精準解耦與事件驅動響應，嚴重制約了機器人在非結構化場景中的操作穩定性與智能水平。為突破上述瓶頸，廈門大學廖新勤團隊提出了一種具備優異壓力解耦能力的可編程事件驅動（Programmable and event-driven，PED）觸覺傳感器，采用仿生梯度金字塔超構表面結構設計，實現了高靈敏度與寬范圍的壓力檢測。該傳感器依托事件驅動的時空反饋機制，可精準感知多級壓力變化，并實時引導智能體自主調整抓取策略。相關研究成果以“Highly programmable haptic decoding and self-adaptive spatiotemporal feedback toward embodied intelligence”為題發表于國際學術期刊Advanced Functional Materials（IF 18.5，一區TOP）。論文的第一作者為廈門大學博士生林萬勝，通訊作者是廈門大學廖新勤副教授。
具身智能被認為是實現通用人工智能的重要路徑之一，旨在賦予智能體在復雜、動態環境中具備環境感知、理解與交互的綜合能力，其核心理念在于提升系統的適應性與自主性，從而增強智能體的獨立決策能力與實時交互水平。作為具身智能的重要應用方向，具身抓取通過將觸覺感知與反饋機制深度融合，使智能體能夠實時獲取物體表面的壓力變化與形態特征等高維信息，并據此動態調整抓取策略，實現更靈活、精準的操作控制。然而，當前主流的抓取方式仍高度依賴靜態規則與人工設定策略，缺乏對目標特性變化的即時感知與反饋調節能力，難以勝任復雜環境中多樣化任務的需求。同時，現有觸覺傳感器多采用平面化、結構單一的設計，其檢測能力局限于基礎的接觸位置感知，普遍存在靈敏度低、響應范圍窄及信號易飽和等問題，難以實現壓力信息的有效解耦，從而限制了抓取力的精細調控，影響了機器人在實際操作中的穩定性與智能化水平。
PED觸覺傳感器模仿人體皮膚多層次機械感受器的響應機制，采用梯度金字塔超表面結構，實現了對不同強度壓力刺激的分級響應與高精度感知。該結構通過依次觸發不同高度的金字塔單元，有效調控上下敏感層之間的接觸面積。這一仿生設計不僅顯著延緩了信號飽和的發生，還賦予器件優異的壓力解耦能力與事件驅動特性，使其能夠穩定感知從極微弱到高強度的多級壓力刺激，充分滿足人機交互系統中對高分辨率觸覺反饋與精準控制的性能需求（圖1）。
圖1 PED觸覺傳感器的仿生啟發和傳感機制研究
PED觸覺傳感器實現了對壓力信號的分級感知與高精度響應。其最大靈敏度可達2501?kPa?1，檢測范圍覆蓋至420?kPa，較傳統均勻微結構觸覺接口分別提升了350% 和300%，顯著突破了常規結構在靈敏度與檢測范圍之間的性能權衡限制。同時，該傳感器還具備超低的壓力檢測限（2?Pa）與快速響應特性（12?ms），不僅能夠靈敏捕捉如羽毛掠過、水滴落下等極細微壓力變化，也能穩定應對不同按壓速度與頻率的高頻動態輸入，展現出卓越的實時觸覺感知能力（圖2）。
圖2 PED觸覺傳感器的關鍵力電性能測試
通過集成分布于指尖與手掌區域的PED觸覺傳感器，構建了具備空間分辨能力的物體識別系統，實現了從基礎壓力感知向更高階觸覺認知的關鍵突破。該系統能夠精確獲取抓取過程中的壓力分布特征，并借助PED觸覺傳感器的事件驅動機制，有效過濾冗余信息，顯著減輕數據處理負擔，提升觸覺信息的處理效率與系統響應速度。采用一維卷積神經網絡對空間分布的PED觸覺傳感器陣列的抓取信號進行訓練與特征提取，實現了高達97.2%的物體識別準確率。即便在不同抓取方向或用戶間存在操作差異的情況下，系統依然保持高度穩定的識別性能，展現出良好的魯棒性與泛化能力（圖3）。
圖3 融合事件驅動機制的觸覺認知系統用于高精度物體識別
通過構建基于PED觸覺傳感器集成的數據手套系統，成功突破了傳統VR/AR交互中常見的視覺遮擋、功能受限與控制精度不足等瓶頸，為用戶提供了多維度、高精度的觸覺輸入與反饋能力。該系統能夠靈敏感知指尖按壓力度，實現多功能的精細操控，在虛擬環境中展現出良好的穩定性、容錯性以及多指協同操作能力。此外，通過融合了時空可編程的局部機械振動，構建出具備疼痛反饋功能的雙向觸覺通信機制，實現了從用戶意圖識別到物理層級反饋的閉環控制，顯著增強了沉浸式體驗與觸覺感知的真實感（圖4）。
圖4 基于數據手套的觸覺閉環系統虛擬與增強現實交互
引入基于PED觸覺傳感器的反饋機制，使系統具備在復雜抓取任務中實現高精度自適應控制的能力。機械手通過實時壓力感知與預設閾值判斷機制，能夠在無需人工干預的情況下，精準響應物體狀態的變化并動態調節各手指的抓取角度，從而實現對易碎物體的精準抓取。在此基礎上，進一步設計了一種基于振動反饋的情緒傳達裝置，可根據用戶行為準確識別其情緒狀態，并通過遠程振動信號實現跨時空的觸覺情感傳遞，有效拓展了觸覺系統的情感交互維度（圖5）。
圖5 具有情感反饋的自適應機器人抓取系統
通過融合仿生梯度結構與事件驅動感知機制，PED觸覺傳感器實現了高靈敏度、寬壓力檢測范圍及低延遲響應性能，不僅顯著提升了虛擬與現實交互的沉浸感，也為智能抓取與高維人機協同提供了關鍵支撐。該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福廈泉自主創新示范區協同項目、福建省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202500633
