德國慕尼黑工業大學的研究人員最近開發了一種電子皮膚，可以幫助機器人感受人類的觸覺。在MDIT的《傳感器》雜志論文中描述的這款電子皮膚，與其他現有電子皮膚相比，所需的算力要低得多，因此可以以更大面積應用于機器人的身體。

觸摸感使我們能夠感到更安全，交互和控制與周圍環境的聯系時更便捷。許多技術系統和應用程序可以從類似的技術中受益。然而，盡管目前電子皮膚系統的覆蓋范圍已比以往更廣，但大面積實現電子皮膚的案例仍然很少。

論文中表示，電子皮膚的升級面臨新的難題：感測點之間的空間關系非常復雜，而在其中處理大量的異構觸覺信息則成為了一個很大的挑戰。研究人員針對這一挑戰提出了一種新方法，以在用于大型電子皮膚的標準計算機系統上，實現靈活的事件驅動信息處理系統，并詳細描述了事件生成器和解碼器的有效設計。

用于電子皮膚系統的最終系統設計具有可伸縮性、高效性、靈活性，并且能夠在無需定制硬件的情況下處理大量信息。該系統提供了例如在機器人技術中應用復雜的大面積觸覺系統的可行性。

2歐元硬幣大小的六邊形傳感器構成電子皮膚

進行這項研究的研究人員之一Florian Bergne表示：“開發電子皮膚的主要動機源于自然，并且集中在我們人類如何與周圍環境互動的問題上。雖然人類主要依賴視覺，但一旦涉及互動，我們的觸覺就顯得尤為重要。我們相信，賦予機器人觸覺可以擴大機器人與人之間互動的范圍，從而使機器人更具協作性、安全性和有效性。”

Bergner和以Gordon Cheng教授為首的其他研究人員開發電子皮膚已有大約10年的時間。最初，他們試圖實現具有類似于人類皮膚的多模態感知功能的電子皮膚系統。換句話說，他們試圖創造一種能夠感知輕觸、壓力、溫度和振動的人造皮膚，同時有效地將其感知分布在觸覺交互發生的不同位置。

Bergner說：“人類不僅可以分辨不同種類物品的觸感，而且可以分辨它們的位置。除了復制此功能外，電子皮膚系統還應承受物理接觸的壓力，具有可伸縮性，并以最小的動力將各種功能綜合在一起。”

Bergner及其同事開發的新型電子皮膚系統由六邊形的傳感模塊組成。每個模塊大約是2歐元硬幣大小。當它們連接在一起時，就形成了柔軟的人造皮膚或皮膚補丁，可以附著在各種各樣的平面或曲面上。

大約2歐元硬幣大小的六邊形傳感模塊

睡眠模式降低系統運行對算力的需求

到目前為止，可以應用于大面積表面的電子皮膚，在它們一次可以檢測到的觸摸信息量方面仍存在明顯局限性。另一方面，Bergner和他的同事開發的電子皮膚系統在保留了其先進的感應功能的前提下，而無需耗費大量的算力來進行。

Bergner說：“傳統的信息處理對計算能力，高功耗，高信息傳輸速率，信息丟失和延遲的要求高得令人無法接受。另一方面，人類則可以毫不費力地處理大約500萬個皮膚感受器收集到的觸覺信息。在最近的研究中，我們問自己，人類的觸覺是如何做到這一點的？我們如何利用研究發現神經科學來減輕我們開發的電子皮膚的局限性？”

人類皮膚上的接受器在檢測到觸摸壓力、溫度或振動的變化之前，往往會保持不活動的狀態，而不是不斷向大腦發送信息。當它們檢測到變化時，這些接受器就會觸發刺突，將該變化通過神經纖維傳遞給大腦。

這一過程的結果是，人類通過皮膚向大腦提供了與觸摸有關的新信息。Bergner和他的同事對該生物過程進行了深入研究，并試圖將其過程復制到他們的電子皮膚中。

Bergner解釋說：“在我們的系統中，每個人造皮膚細胞都在監視其傳感器，以檢測變化。當他們檢測到足夠大的變化時，皮膚細胞就會向計算機報告新信息，否則它們就會進入睡眠模式。該操作大大降低了系統運行對算力的需求。”

電子皮膚系統的皮膚細胞形成圖示

每個傳感器模塊或皮膚單元都使用不同的傳感器（例如S1，……，S4）和一個微控制器（μC）的處理能力；這些模塊相互連接，形成模塊網絡，并在每個模塊與信息處理系統（例如計算機）之間提供雙向通信路徑，以構成該電子皮膚系統的一個皮膚細胞。

用超1萬塊傳感器覆蓋機器人，減少80%計算量

Bergner和同事們成功將他們電子皮膚應用于一個人類大小的機器人——H1身上。該系統能夠使用1260個皮膚細胞覆蓋整個身體，其中包括超10000個傳感器，這是以前從未做過的。

研究人員開發的H1機器人身著電子皮膚

Bergner說：“H1機器人只能通過機載系統進行自動操作。只有借助我們以新形式驅動的電子皮膚的優勢，用皮膚細胞覆蓋H1才成為可能。該電子皮膚減少了大約80%的計算量。更傳統的電子皮膚會使H1系統完全飽和，從而導致延遲，以及大約25％的連續信息丟失的狀況發生。”

在未來，高效的電子皮膚可以為各種機器人提供更強大的觸摸功能。此類電子皮膚可以增加人機交互的安全性，這在工業和醫療領域的價值尤為突出。除此之外，電子皮膚細胞還可以用于開發新的技術工具，例如觸敏式義肢、智能物體或傳感衣。

Bergner說：“在解決了處理大面積電子皮膚的觸覺信息的難題之后，我們現在可以考慮縮小皮膚細胞的尺寸，從而達到更高的感應密度。H1披上了大面積的電子皮膚，我們可以用它來研究人機交互和全身控制。另一個有趣的研究方向可能是研究以新形式驅動的觸覺信息，用來增強感知和控制算法。”