彩色感知機械手指：歐洲科學家研發出分辨率達100微米的觸覺傳感器

試想用指尖撫過一枚美分硬幣的表面。你能摸到凸起字母與數字的棱紋、Abe Lincoln蓄著胡須的側臉輪廓；如果是硬幣背面，還能感受到林肯紀念堂帶有凹槽的立柱。要讓機器人感知到同樣的細節絕非易事，這通常需要同時采集大量空間點位上的壓力與受力數據。不過，歐洲一組科研團隊現已實現這一目標：他們研發出一款特別的彩色機器皮膚，能夠實現高分辨率實時傳感。

“說實話，當他們向我們展示這項成果時，恕我直言，這玩意兒簡直酷得離譜，因為這套方案思路截然不同。”英國歷史最悠久的機器人企業Shadow Robot公司總監Rich Walker回憶道。該公司主攻機械手研發。

這支研究團隊由倫敦瑪麗女王大學、佛羅倫薩大學、的里雅斯特大學與特倫托大學的科研人員組成。他們設計了一款搭載合成皮膚的機器人指尖 —— 當皮膚發生機械形變時，會反射出不同顏色的光。通過讀取皮膚反射的光線，指尖能夠生成表面拓撲結構、應變與接觸壓力的分布圖譜。目前團隊已利用這款傳感器，成功生成了人類指尖、硬幣及樹葉的形貌圖譜。

倫敦瑪麗女王大學Federico Carpi實驗室的博士后研究員Giacomo Sasso，是這款傳感器的構想提出者。他在從事光學研究時，偶然讀到《自然》期刊上一篇頗具啟發性的論文，其中介紹的“力致變色材料”，正是后來構成這款合成皮膚反射層的核心材料：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01318-x。

依照《自然》論文中記載的方法，Sasso將一層光敏薄膜置于功率為5兆瓦、波長635納米的紅光激光下照射7分鐘。激光束會在薄膜中形成干涉圖樣，驅動薄膜材料以交替疏密的方式發生聚合反應，最終構建出具有不同折射率的層狀結構。

這種結構被稱為布拉格反射器（Bragg reflector）。聚合物內部交替分布的密度與折射率，會選擇性反射特定波長的光線。當反射器因接觸物體產生形變時，層狀結構會被拉伸變薄，進而反射出波長不同的光。

Sasso只用了不到一周時間，就在實驗室復刻出這種材料。他表示：“在此基礎上，我們開始研究如何將這些色彩紋路轉化為具備實用價值的信號。”很快，團隊發現，僅憑這種材料產生的色彩變化，就足以感知物體的表面形貌。

在這款機器指尖內部，布拉格反射器被夾層封裝：外層是一層有機硅，起到外部防護作用；內層為透明、指尖造型的有機硅基體，基體中內置攝像頭與LED光源。

LED發出的光線穿透仿生手指的透明聚合物層。當指尖受外物擠壓發生形變時，反光層將光線反射至攝像頭；反射光的波長由形變程度決定：形變最小時顯示紅色，隨形變增大逐漸轉為綠色，形變達到最大時變為藍色。

研究團隊還開展優化工作，提升該仿生“皮膚”的靈敏度，使攝像頭能夠更清晰識別色彩變化。指尖外層硅膠采用黑色著色處理，用以提高色彩對比度，便于攝像頭將色彩信號轉化為形變形態信息。手指內部攝像頭具備剛性結構，還可放大反光層的形變量，令反射光波長產生更顯著的差異。

研究人員測定，經過上述全部優化后，該仿生手指可達到100微米的分辨率，且無計算延遲。

人類皮膚能夠接收多種觸覺信息 —— 包括溫度、紋理、壓力和振動 —— 從而順利完成動作與物體操控。但要讓機器人具備同等能力，卻因空間限制而困難重重。機器人指尖內部空間通常十分有限，難以同時集成多種類型的傳感器。于是問題便歸結為：究竟該選用哪一種傳感器？

“而這個問題的答案是…… 這真的是個難題。目前還沒人知道答案，”Walker說道。他表示，Carpi團隊研發的這款機器人手指之所以令人振奮，是因為它為機器人研究者提供了又一種可供實驗驗證的技術方案。

盡管Carpi團隊并非首個將柔性材料用于觸覺傳感的研究團隊，但其技術的獨特之處在于：它能夠從生成的拓撲圖中提取出深度與尺寸的定量信息。據Walker介紹，大多數傳感器只能生成拓撲圖，只能反映物體特征的相對大小（https://www.gelsight.com/）。

在Sasso看來，這款機器人手指的另一大核心優勢在于，它將觸覺傳感直接嵌入手指材料本身，而非采用“觸覺像素”（taxel） —— 即在特定空間點位上測量力或壓力的傳感單元。

“這款傳感器的核心在于，我們本質上是在朝著讓傳感元件下沉到材料層面的方向發展，”他表示，“攝像頭本身就是一種高度優化的電子元件，它能把材料本身發生的一切變化直接轉化為數字信號。”

Daimon Robotics聯合創始人兼首席科學家Michael Wang也呼應了沃克的觀點 —— 探索新型傳感方式是有益的，可能帶來獨特的技術優勢。與Shadow Robot公司不同，Daimon Robotics主要采用基于視覺的傳感方案。但他同時指出，柔性材料往往面臨耐用性不足的挑戰；而該團隊研究成果的實際價值，要等到這款手指真正集成到真實機器人手上之后才能顯現。

“其實際應用價值，尤其是在機器人手部場景下的實用價值，仍有待測試與驗證，”他說道。

柔性傳感器的材料 —— 比如Carpi團隊指尖所用的硅膠 —— 在反復使用后若出現磨損或損壞，傳感器測得的信號可能就無法準確反映物體的形貌結構。

“尤其是如果把電子元件直接嵌入材料層本身，就會成為一個極具挑戰性的工程難題。而且我還沒見過多少真正能經受住長期使用的優質柔性電子材料，”Wang表示。

不過Sasso指出，由于布拉格反射器（Bragg reflector）本身并不直接接觸物體，外層的硅膠材料起到了防護屏障的作用。Wang也補充道，通過特定的化學涂層處理，同樣可以提升硅膠的耐用性。

該研究團隊已經開始與具備傳感器落地應用潛力的企業展開交流。Carpi表示，團隊還計劃進一步優化這款傳感器，使其能夠識別非平面放置的物體。這項改進有望拓展它在手術器械領域的應用，這類器械需要對人體組織與器官實現高精度接觸成像。

“我們預計這項技術將迎來重大進展，并且擁有清晰路徑，能夠邁向真實場景落地應用。”他說道。