机器人触觉传感器不只是皮肤

北卡罗来纳大学和以色列特拉维夫大学的科研人员克服了实现低成本先进机器人触觉的一大障碍。作者认为，许多关于触觉传感器的论文中一直潜藏的问题在于机器人皮肤本身。

在这项研究中，用于制造皮肤的廉价硅橡胶复合材料被发现其上下表面存在一层绝缘层，这阻碍了传感聚合物与监测表面电极之间的直接电气接触，使得准确和可重复的测量几乎不可能。随着误差的消除，廉价的机器人皮肤可以让机器人模仿人类的触觉，使它们能够感知物体的曲线和边缘，这对于正确抓握物体是必要的。

在发表在《先进电子材料》期刊上的一篇论文中，一个由电气工程师和聚合物材料科学家组成的多学科研究团队揭示了这个问题，并提供了验证电气接触的实用步骤，这些接触可能无意中掩盖了设备性能，根据西北大学的马修·格雷森（麦科密克工程学院电气与计算机工程教授）的说法。

“许多科学家误解了他们的传感器响应，因为他们将接触的行为与传感器材料的行为混为一谈，导致数据不一致，”格雷森说。“结果，如果你没有意识到这个问题，你可能会发表一些无人能重复的论文。我们的工作确定了问题的确切原因，在微观和电气方面量化了其程度，并提供了一份清晰的逐步故障排除手册来解决这个问题。”

用于典型机器人皮肤的橡胶，称为弹性体，是灵活、轻便且廉价的，当添加像碳纳米管这样的导电填料时，所得复合材料成为理想的触觉传感器候选者，其电阻在受压时局部变化。但要接收电信号，传感器需要电接触，研究人员检测到这种复合材料中普遍存在的薄绝缘层，该绝缘层会极大地改变接触行为。仅通过打磨超薄的绝缘层，该团队就能实现更强的电接触，并用电学和显微镜方法校准绝缘层的厚度。

"所有有趣的事情都发生在界面处，"联合作者、特拉维夫大学教授 Noa Lachman 说。"这项发表不仅展示了传感器界面的重要性，也展示了在两个不同学科：材料科学和电气工程之间的交叉领域工作的重要性。材料专家多年来一直怀疑导电聚合物复合材料中存在这种绝缘外层，但无法理解其电学效应。我们每个人都有一块拼图，但只有在一起才能得到完整的画面。"

机器人尤其复杂，部分原因是因为它需要许多种类的专业知识。例如，设计机器人功能电子材料的聚合物材料科学家，与处理传感器信号的电气工程师所接受的教育和技能并不相同。格雷森说，"接触准备"的挑战正是这项研究的讨论开始的地方。

"这就是为什么我们的与特拉维夫的合作至关重要——他们知道我们不知道的材料科学知识，格雷森说。我们依赖他们来制备我们正在研究的材料，然后我们拿过来研究，再反过来帮助特拉维夫的材料科学家更好地表征他们的材料。"

生产新材料——然后复制它们——需要控制许多不同的变量，而这些变量往往很难甚至不可能控制。格雷森在关于触觉传感的许多文献中暴露了可重复性问题，他挑战研究界按照论文中描述的质量检查标准来要求自己达到更高的标准。随着这个问题在研究人员中的认识逐渐普及，新的出版物可以更严格地依赖来推动该领域以新的能力前进。

该研究得到了美国国家科学基金会（NSF ECCS-1912694, NSF DMR-1720139）的支持，通过 Crown Family Fund 由西北大学资助，Leslie 和 Mac McQuown 资助，通过纳米科学与纳米技术中心由特拉维夫大学资助，以及美国-以色列双边科学基金会（BSF 资助编号 2018732）。额外的出版支持来自西北大学的以色列创新项目和西北大学电气与计算机工程系。