近日，孫立寧教授、蘇州大學(xué)劉會(huì)聰教授與新加坡國(guó)立大學(xué)Chengkuo Lee教授在SmartBot期刊上發(fā)表了題為MEMS: The Sensory Nervous System for Embodied AI Robots的綜述文章，系統(tǒng)梳理了MEMS技術(shù)在具身智能機(jī)器人中應(yīng)用的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)。

專家檔案

孫立寧微納器件與系統(tǒng)及微納機(jī)器人專家，俄羅斯工程院外籍院士，蘇州大學(xué)特聘教授，蘇州大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究院院長(zhǎng)、機(jī)電工程學(xué)院院長(zhǎng)、機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心主任，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，國(guó)家“十二五”863“計(jì)劃微納制造技術(shù)主題專家。

具身智能（Embodied AI）的興起標(biāo)志著人工智能研究的一次根本性轉(zhuǎn)變，即從虛擬世界走向真實(shí)物理環(huán)境，旨在構(gòu)建能夠在復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)感知、推理與行動(dòng)的自主機(jī)器人系統(tǒng)。

然而，傳統(tǒng)傳感器受限于體積和功耗，難以滿足機(jī)器人對(duì)自身狀態(tài)與外部環(huán)境的全面感知需求。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)憑借微型化、低功耗、高集成度和低成本等優(yōu)勢(shì)，已成為提升新一代機(jī)器人感知能力的關(guān)鍵支撐。

本文系統(tǒng)梳理了面向具身智能機(jī)器人的MEMS傳感技術(shù)最新進(jìn)展。通過集成測(cè)距、慣性、觸覺、聽覺和嗅覺等多模態(tài)MEMS傳感器，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更為豐富的環(huán)境感知與交互，為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的高自主性、安全性和人機(jī)協(xié)作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。可以說，MEMS傳感器如同機(jī)器人的“感知神經(jīng)元”，與人工智能構(gòu)成的“認(rèn)知大腦”深度融合，共同推動(dòng)真正具備感知與智能的機(jī)器人新時(shí)代的到來。

圖1 MEMS傳感器在具身智能機(jī)器人中的應(yīng)用


圖文摘要


精準(zhǔn)的環(huán)境感知是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、物體操控以及安全人機(jī)交互等核心功能的前提與基礎(chǔ)。其中，測(cè)距傳感器通過探測(cè)周圍物體的距離，為環(huán)境建模與理解提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。MEMS 技術(shù)的引入，為測(cè)距傳感器帶來了微型化、低功耗和低成本等革命性優(yōu)勢(shì)，極大促進(jìn)了高性能機(jī)器人的普及與發(fā)展。

MEMS 測(cè)距傳感器通常通過檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的微小形變與振動(dòng)模態(tài)變化，或分析發(fā)射波的傳播特性來實(shí)現(xiàn)高精度距離感知。目前，以激光、超聲波和電容測(cè)距為代表的多種 MEMS 技術(shù)，已共同構(gòu)成機(jī)器人多場(chǎng)景環(huán)境感知的重要支撐，成為推動(dòng)新一代機(jī)器人智能水平提升的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 MEMS測(cè)距傳感器分類及應(yīng)用


精準(zhǔn)的環(huán)境感知是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、物體操控以及安全人機(jī)交互等核心功能的基礎(chǔ)。測(cè)距傳感器通過獲取周圍物體的空間位置信息，為環(huán)境建模與理解提供關(guān)鍵支持。MEMS 技術(shù)的引入為測(cè)距傳感器帶來了微型化、低功耗和低成本等革命性優(yōu)勢(shì)，極大推動(dòng)了高性能機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用。

MEMS 測(cè)距傳感器通常依靠檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的微小形變與振動(dòng)模態(tài)變化，或分析發(fā)射波的傳播特性，從而實(shí)現(xiàn)高精度的距離感知。目前，以激光、超聲波和電容測(cè)距為代表的多種 MEMS 技術(shù)，已構(gòu)成機(jī)器人在多場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知的重要支撐，成為提升新一代機(jī)器人智能水平的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

圖3 IMU在機(jī)器人中的多場(chǎng)景應(yīng)用

在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機(jī)器人需借助觸覺感知實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全的物理交互。MEMS觸覺傳感器正如機(jī)器人的“電子皮膚”，不僅可檢測(cè)接觸力的大小與方向，更能感知壓力分布、識(shí)別紋理、判斷滑動(dòng)狀態(tài)甚至溫度變化，極大豐富了機(jī)器人的物理交互能力。


基于壓阻、電容、壓電與摩擦電等效應(yīng)，MEMS技術(shù)將微機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)外界刺激的響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高空間分辨率的觸覺感知。這類傳感器為機(jī)器人抓取操控、精細(xì)操作和人機(jī)協(xié)作等任務(wù)提供了關(guān)鍵支持。

圖4 MEMS觸覺傳感器應(yīng)用于手術(shù)機(jī)器人及靈巧手感知

柔性觸覺傳感器基于柔軟且可拉伸的材料制成，能夠緊密貼合復(fù)雜曲面，為機(jī)器人提供大范圍、多模態(tài)的觸覺感知能力。其核心原理是將壓力、拉伸等機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻、電容等電學(xué)變化，模擬人體皮膚的力學(xué)感知機(jī)制。


與傳統(tǒng) MEMS 觸覺傳感器形成互補(bǔ)：MEMS 傳感器擅長(zhǎng)局部高精度測(cè)量，而柔性傳感器則可構(gòu)建“電子皮膚”（e-skin），實(shí)現(xiàn)分布式觸覺感知與更安全的人機(jī)交互。這類傳感器不僅能夠檢測(cè)壓力與形變，還可感知溫度、濕度等多種物理量，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人靈巧操作、可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互等領(lǐng)域，是提升下一代機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性與交互智能的關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 柔性觸覺傳感器應(yīng)用于機(jī)器人多變量感知



聽覺感知顯著增強(qiáng)了機(jī)器人與環(huán)境交互的能力，是實(shí)現(xiàn)具身智能機(jī)器人高級(jí)功能的關(guān)鍵。MEMS聲學(xué)傳感器，包括麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器，以其芯片級(jí)尺寸、高保真性能和低失真特性，為機(jī)器人提供了“聽”與“說”的雙向語音能力。

MEMS麥克風(fēng)可準(zhǔn)確捕捉人聲與環(huán)境聲音，實(shí)現(xiàn)語音指令接收、聲源定位及工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。而MEMS揚(yáng)聲器則能夠輸出高聲壓、寬頻帶的音頻，為機(jī)器人提供清晰、沉浸式的語音反饋。兩者協(xié)同工作，構(gòu)建了高自然度的人機(jī)語音交互基礎(chǔ)，從而大力推動(dòng)了機(jī)器人在服務(wù)、救援、工業(yè)檢測(cè)等場(chǎng)景中的環(huán)境感知與人性化交互水平。

圖6 MEMS聲學(xué)傳感器


嗅覺感知為機(jī)器人提供了超越人類能力的化學(xué)環(huán)境理解手段，是實(shí)現(xiàn)新一代智能機(jī)器人的關(guān)鍵感知維度。MEMS嗅覺傳感器作為“電子鼻”的核心，能夠識(shí)別氣體種類、檢測(cè)濃度變化并實(shí)時(shí)追蹤氣味源，極大擴(kuò)展了機(jī)器人在環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害響應(yīng)與工業(yè)安全等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。


通過感知揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）甚至危險(xiǎn)化學(xué)品，機(jī)器人可執(zhí)行化學(xué)品泄漏預(yù)警、爆炸物探測(cè)乃至疾病初步篩查等高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)，有效替代或輔助人類完成復(fù)雜和危險(xiǎn)場(chǎng)景下的作業(yè)。

圖7 MEMS嗅覺傳感器

總結(jié)與展望



MEMS 傳感器之所以成為具身智能機(jī)器人的核心基石，源于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與機(jī)器人復(fù)雜感知需求的高度契合。MEMS 工藝能夠在毫米甚至微米尺度上集成復(fù)雜機(jī)電結(jié)構(gòu)，在極小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度感知，顯著推動(dòng)了機(jī)器人系統(tǒng)的微型化與高性能化。無論是在機(jī)器人關(guān)節(jié)、指尖等受限空間中的嵌入式集成，還是在整個(gè)機(jī)體內(nèi)部署大規(guī)模分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，MEMS 技術(shù)都提供了傳統(tǒng)傳感器難以比擬的解決方案。

這種能力不僅保障了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度和外觀整體性，更為實(shí)現(xiàn)真正意義上的“具身感知”奠定了硬件基礎(chǔ)，即通過多維度、多模態(tài)的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，為 AI 模型提供實(shí)時(shí)、豐富且可靠的物理交互信息。

盡管 MEMS 技術(shù)極大推動(dòng)了機(jī)器人感知與驅(qū)動(dòng)能力的發(fā)展，其在構(gòu)建高水平自主具身智能系統(tǒng)方面仍面臨制造與集成兩大核心挑戰(zhàn)。在制造層面，不同類型 MEMS 傳感器依賴差異化工藝體系，導(dǎo)致難以建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)平臺(tái)，限制了多類傳感器的大規(guī)模、低成本生產(chǎn)，從而制約了多功能集成機(jī)器人的推廣應(yīng)用。

在集成層面，機(jī)械集成問題尤為突出：如何在機(jī)器人關(guān)節(jié)、末端等狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度、抗應(yīng)力、抗振動(dòng)及熱變形的穩(wěn)定安裝，同時(shí)優(yōu)化多傳感器布局、簡(jiǎn)化布線并抑制機(jī)器人與傳感器之間的動(dòng)態(tài)耦合干擾，是提升系統(tǒng)整體性能與可靠性的關(guān)鍵難題。

圖8 面向具身智能機(jī)器人的MEMS傳感器展望

展望未來，MEMS傳感技術(shù)將推動(dòng)機(jī)器人感知邁向軟硬件深度協(xié)同的革命性階段。其發(fā)展重點(diǎn)不再局限于單一傳感器性能的提升，而在于構(gòu)建“感知-認(rèn)知”一體化的智能系統(tǒng)。

在硬件層面，MEMS與存算一體技術(shù)的結(jié)合將實(shí)現(xiàn)感知方式的根本變革。

在應(yīng)用層面，多模態(tài)MEMS傳感系統(tǒng)將為大型語言模型和多模態(tài)模型提供物理世界的真實(shí)、連續(xù)和多維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，彌補(bǔ)其與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的差異。可以說，具身智能的未來建立在MEMS與人工智能的深度協(xié)同之上。

MEMS提供語義化的“感知神經(jīng)元”，大型模型構(gòu)成“認(rèn)知大腦”。這種融合將引領(lǐng)機(jī)器人突破既定程序的限制，進(jìn)入真正感知、理解并與人類共同適應(yīng)物理世界的新時(shí)代。

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smb2.70004
To cite this article:Xu Zhou, Dongsheng Li, Shuhan He, et al. 2025. “ MEMS: The Sensory Nervous System for Embodied AI Robots.” SmartBot: e70004. https://doi.org/10.1002/smb2.70004.