放置在人體皮膚上的電子皮膚對(duì)用于遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的表面肌電信號(hào)進(jìn)行解碼

人的皮膚柔軟而具有彈性，有數(shù)百萬個(gè)能感知冷熱和觸覺的神經(jīng)末梢。這使其成為檢測(cè)和響應(yīng)外部世界的極好工具。在過去的 40 年里，學(xué)者們一直致力于在人工皮膚中實(shí)現(xiàn)這些功能，但這種嘗試始終未能實(shí)現(xiàn)人體皮膚的多功能性和適應(yīng)性。然而，現(xiàn)在，新的研究增加了更多的功能和復(fù)雜性，使該領(lǐng)域更接近其最終目標(biāo)：電子皮膚，其用途從覆蓋機(jī)器人到將可穿戴設(shè)備粘貼到人的身上。有一天，這些設(shè)備甚至可以讓人類遠(yuǎn)程控制機(jī)器人并“感受”它們檢測(cè)到的信號(hào)。

Wireless sensor detects an enzyme released by infection. Credit: Ze Xiong

“在 1980 年代，可以稱之為粗糙版皮膚的觸摸傳感器開始出現(xiàn)，”Glasgow大學(xué)電子和納米工程教授、可彎曲電子和傳感技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人 Ravinder Dahiya 說。第一個(gè)柔性傳感器陣列建于 1980 年代中期。其中一個(gè)陣列使用的是 Kapton薄膜，這是一種 1960 年代發(fā)明的柔性但不可拉伸的薄膜，這種薄膜可以支持紅外傳感器和探測(cè)器。這種“皮膚”包裹在一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械臂上，這使得機(jī)械臂可以與人類芭蕾舞演員“跳舞”：如果舞蹈演員在機(jī)械臂的 20 厘米以內(nèi)，機(jī)械臂可以感知她的動(dòng)作并自發(fā)地調(diào)整自己的動(dòng)作來做出反應(yīng)。

但與生物皮膚相比，以上實(shí)現(xiàn)的能力還是十分初級(jí)的。在 21世紀(jì)，可用的材料和電子產(chǎn)品變得更柔軟、更靈活，最重要的是，還具有可拉伸性。Dahiya 說，這些改進(jìn)使研究人員能夠?qū)⑿碌膫鞲衅骱碗娮釉O(shè)備整合到一個(gè)成熟的皮膚系統(tǒng)中。系統(tǒng)包括一個(gè)可以彎曲和伸展的皮膚狀底座，配備電源、各種傳感器以及將傳感器信息發(fā)送到中央處理器的方法。

觸摸傳感器和溫度傳感器首次開發(fā)并運(yùn)用到這種系統(tǒng)上。California理工學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程師 Wei Gao 決定嘗試將這些傳感器與可以檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的傳感器結(jié)合起來。“我們想創(chuàng)造一種具有物理感知能力的機(jī)器人皮膚，”Gao說?！按送猓覀兿Ｍx予它強(qiáng)大的化學(xué)感應(yīng)能力?！彼麍F(tuán)隊(duì)的工作于本月初發(fā)表在期刊 Science Robotics上。

Gao的實(shí)驗(yàn)室使用噴墨打印機(jī)將一種由納米材料（金屬、碳或其他化合物的微小混合物）制成的專用墨水鋪在柔軟的水凝膠基底中。使用不同的納米材料墨水進(jìn)行打印，每種墨水都可以檢測(cè)特定的化學(xué)物質(zhì)，Gao 的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了可以感知爆炸物、神經(jīng)毒劑（例如化學(xué)戰(zhàn)中使用的化學(xué)物質(zhì)）甚至病毒（例如引起 COVID 的 SARS-CoV-2）的皮膚。研究人員還結(jié)合了先前開發(fā)的壓力傳感器和溫度傳感器。最終制成的電子皮膚看起來像一個(gè)表面鑲嵌有金屬圖案的透明創(chuàng)可貼。

生物醫(yī)學(xué)工程師 Wei Gao 實(shí)驗(yàn)室制造的電子皮膚。放置在人類前臂上的貼片可以控制貼片附近的機(jī)械臂。當(dāng)電子皮膚放置在機(jī)器人手上時(shí)，電子皮膚讓機(jī)器人“感受”它所握的東西。

這種皮膚的功能不僅僅是感知環(huán)境?！拔覀冞€想確?？梢詫?shí)現(xiàn)人機(jī)交互，”Gao說。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)人工智能程序，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電子皮膚貼片之間的連接——一個(gè)在機(jī)器人上，另一個(gè)在人身上。電子皮膚打印過程是可擴(kuò)展的，因此研究人員能夠?yàn)闄C(jī)器手打印指尖大小的貼片，為人類前臂打印更大的貼片。這種皮膚使機(jī)器人能夠“感覺到”它抓緊物體的程度，并感知該物體是否涂有特定的化學(xué)物質(zhì)。與此同時(shí)，人類獲得了遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的能力，并在機(jī)器人檢測(cè)到這些化學(xué)物質(zhì)時(shí)感受到來自機(jī)器人的電信號(hào)。研究人員表示，這種人機(jī)互動(dòng)有朝一日可能會(huì)使機(jī)器人在不適合人類居住的地方代替人類進(jìn)行控制。

Gao的項(xiàng)目需要一個(gè)外部設(shè)備來處理電子皮膚的傳感器數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)人員使用了多層金屬墨水——用于傳感和穩(wěn)定，并將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)礁浇挠?jì)算機(jī)或手機(jī)以進(jìn)行收集和處理。但這并不是機(jī)器人皮膚分析其獲取的信息的唯一方法。其他實(shí)驗(yàn)室正在研究類似于人類神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行分類的皮膚。

Dahiya 使用人類皮膚作為他的電子皮膚數(shù)據(jù)處理的靈感，在本月發(fā)表在期刊Science Robotics的文章中進(jìn)行了闡述。他說，使用晶體管和電容器等電子構(gòu)件，“我們可以開發(fā)出類似于外周神經(jīng)系統(tǒng)的東西?！痹谒南到y(tǒng)中，來自傳感器的信號(hào)在發(fā)送到中央處理器之前必須達(dá)到某個(gè)閾值。這種設(shè)置減少了每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量?！澳悴荒軣o限的發(fā)送數(shù)據(jù)，”Dahiya 解釋說。“如果你想發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，你需要安排數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)排好隊(duì)，等待前面的數(shù)據(jù)執(zhí)行完再依次執(zhí)行?！?/p>

Dahiya 的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種觸摸傳感器，該傳感器使用微型晶體管（控制與其他電子元件之間的電流流動(dòng)的設(shè)備）來幫助機(jī)器人皮膚感覺和學(xué)習(xí)。按壓皮膚中的晶體管會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生變化，從而使機(jī)器人“感受到”壓力。隨著時(shí)間的推移，它可以根據(jù)檢測(cè)到的壓力量調(diào)整相應(yīng)的響應(yīng)?！斑@些都是類似神經(jīng)的晶體管，可以學(xué)習(xí)，可以調(diào)整，”他說。他補(bǔ)充說，電子皮膚學(xué)會(huì)了與機(jī)器人等效的疼痛感知，因此在感覺到“疼痛”之前電子皮膚不會(huì)傳遞信號(hào)。

除了遠(yuǎn)程控制機(jī)器人或教它們適應(yīng)環(huán)境之外，電子皮膚還有許多其他應(yīng)用?！拔艺J(rèn)為，很多機(jī)會(huì)并全是是機(jī)器人的，”Carnegie Mellon大學(xué)的機(jī)械工程師 Carmel Majidi 說，他的實(shí)驗(yàn)室專門開發(fā)與人類兼容的電子產(chǎn)品開發(fā)軟材料。Majidi 設(shè)想電子皮膚可以為機(jī)器人制造良好的傳感器，也可以適用于更普通的物體。例如，它們可以為交互式電子設(shè)備提供柔軟、靈活的觸摸板?；蛘哂糜诿舾蟹b或室內(nèi)裝潢，以檢測(cè)極端溫度和其他環(huán)境條件。這種皮膚也可能有助于醫(yī)學(xué)的發(fā)展?！跋Ｍ@些電子皮膚作為貼紙貼在人身上，并可以追蹤人的生命體征，”Majidi 說。

在商業(yè)用途方面，目前的電子皮膚仍有問題需要解決。Gao指出，產(chǎn)品的耐用性很重要?！暗娮悠つw的主要挑戰(zhàn)之一是長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和健壯性。”即使面臨這樣的挑戰(zhàn)，Gao說未來五年內(nèi)，電子皮膚可能會(huì)首先出現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中。

“限制發(fā)展的因素實(shí)際上并不在技術(shù)。我認(rèn)為這更多的因素是需求，”Majidi談到商業(yè)可用性時(shí)說?！霸谌藗兊募抑邪惭b機(jī)器人并沒有普及。”但對(duì)于電子皮膚的所有可能應(yīng)用而言，與工程領(lǐng)域以外的各方合作至關(guān)重要。“不是機(jī)器人專家、不是工程師的人，不應(yīng)該覺得他們進(jìn)入該領(lǐng)域非常困難，”他說。Majidi 表示，潛在的合作者可能是使用可配備電子皮膚傳感器的假肢的人，或者是患有慢性疾病并可能受益于通過可穿戴貼片進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)的人。

編輯：黃飛

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