夜行昆蟲憑借柔韌的觸角，在黑暗中自如導(dǎo)航、感知周圍環(huán)境，甚至探測(cè)微小紋理。你是否想過，機(jī)器人也能擁有這樣的“超能力”？香港科技大學(xué)等合作團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，研發(fā)出一款仿生電子觸角傳感器（E-Antenna），讓機(jī)器人通過觸覺“看清”世界！這項(xiàng)突破性成果以“A robust and omnidirectional-sensitive electronic antenna for tactile-induced perception”為題目已發(fā)表于頂級(jí)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。
在機(jī)器人觸覺傳感領(lǐng)域，研究人員開發(fā)了各類性能卓越的仿生電子皮膚，實(shí)現(xiàn)了類皮膚性質(zhì)的高分辨率高精度觸覺傳感能力（如基于視覺的Gelsight，磁性皮膚、離子傳感皮膚、自發(fā)電傳感皮膚等），成功輔助機(jī)器人完成以自適應(yīng)抓取和人機(jī)交互為核心的應(yīng)用。
然而，自然界中，除用于被動(dòng)感知的平面類型的皮膚之外，還有一類用于主動(dòng)感知的系統(tǒng)，如人類細(xì)長的手指、貓的胡須等。特別的，自然界中視力退化的夜行昆蟲/動(dòng)物進(jìn)化出了細(xì)長柔韌的觸角/觸須形態(tài)的觸覺系統(tǒng)，使其能夠主動(dòng)探索和感知環(huán)境信息。例如，蟑螂利用觸角在黑暗中沿墻快速移動(dòng)，感知障礙物并調(diào)整方向；海豹通過觸須探測(cè)氣流和溫度變化，精準(zhǔn)定位獵物；魚類則依靠側(cè)線系統(tǒng)的細(xì)小觸毛感知水流方向。而這種“主動(dòng)”對(duì)環(huán)境的探知能力，是目前機(jī)器人缺乏且亟須的。
就人造觸覺傳感器而言，機(jī)械魯棒、全向靈敏感知、靈活集成被認(rèn)為是其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵前提。然而，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三大特性仍面臨巨大挑戰(zhàn)。由于感知精度、精巧設(shè)計(jì)和機(jī)械魯棒性等因素之間的相互制約，現(xiàn)有技術(shù)難以打造出兼具高魯棒性、全向靈敏感知和靈活集成的觸覺傳感器，這一挑戰(zhàn)也限制了人造觸覺傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)上的部署。
拓展機(jī)器人觸覺系統(tǒng)形態(tài)，提出機(jī)械魯棒全向靈敏感知的仿生電子觸角系統(tǒng)
為攻克這一難題，來自香港科技大學(xué)MIRS實(shí)驗(yàn)室（Multi-I Robotic System Lab）等合作團(tuán)隊(duì)的研究人員從自然界汲取靈感，開發(fā)了一種受夜行昆蟲觸角啟發(fā)的電子觸角系統(tǒng)（E-Antenna）。該電子觸角具備卓越的機(jī)械魯棒性、全向靈敏感知和靈活機(jī)器人系統(tǒng)適配能力，能夠承受1800度的扭轉(zhuǎn)、224%的拉伸和360度的彎折。搭配模仿昆蟲的主動(dòng)觸覺感知算法，研究人員展示了電子觸角成功輔助移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高精度無視覺導(dǎo)航，地面紋理識(shí)別，以及輔助操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)彎曲表面上的共形操作。
圖1 仿生電子觸角系統(tǒng)設(shè)計(jì)與機(jī)器人集成應(yīng)用概覽
在系統(tǒng)化的理論建模指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用非均勻剛度分布和部分磁化策略提升了電子觸角的靈敏度和方向感知能力，實(shí)現(xiàn)了全向不高于1.76° 誤差的方向感知精度，比生物觸角高出 約17 倍。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還驗(yàn)證了電子觸角的動(dòng)態(tài)感知與傳感一致性。結(jié)果顯示，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中，其對(duì)動(dòng)態(tài)刺激的振幅和頻率的感知線性度高達(dá)0.9979，能夠精確追蹤三角波和方波刺激。在一致性測(cè)試中，電子觸角在經(jīng)歷3500次循環(huán)測(cè)試后仍保持穩(wěn)定的感知能力。
圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
在機(jī)械魯棒性方面，電子觸角也展現(xiàn)了令人印象深刻的性能：它能夠承受高達(dá)1800°的扭轉(zhuǎn)、224%的拉伸以及360°的彎曲，甚至還能在承受遠(yuǎn)超自重?cái)?shù)百萬倍的擠壓力或針刺穿透后依然能迅速恢復(fù)原有形狀并保留傳感功能。這種超強(qiáng)的機(jī)械魯棒性使其在動(dòng)態(tài)環(huán)境中面對(duì)劇烈形變或意外損傷時(shí)仍能保持可靠運(yùn)行。
圖3 精確傳感與卓越機(jī)械魯棒性
AI輔助的主動(dòng)觸覺感知策略
受啟發(fā)于生物以觸角為中心的主動(dòng)觸覺探索策略，研究人員將電子觸角集成于機(jī)器人平臺(tái)上通過主動(dòng)運(yùn)動(dòng)來探索環(huán)境，以捕捉更豐富的空間特征。隨后，使用滑動(dòng)窗口動(dòng)態(tài)構(gòu)建保留接觸事件時(shí)間依賴性和上下文信息的連續(xù)觸覺事件鏈，并將此連續(xù)信息輸入多層時(shí)序神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行感知分析，解析得到環(huán)境的信息。研究人員在基于觸覺的界面曲率識(shí)別任務(wù)上驗(yàn)證了該策略的有效性，得到了平均誤差小于0.9°高精度曲率識(shí)別結(jié)果。
圖4 AI輔助的主動(dòng)觸覺感知策略與曲面識(shí)別性能
無視覺輔助的接觸式導(dǎo)航
在視覺受限或完全無光環(huán)境中，觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)展現(xiàn)出不可替代的核心價(jià)值。以夜行昆蟲為例，這些生物在完全黑暗的環(huán)境中僅依靠觸覺感知就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)墻壁跟蹤和障礙物感知。作為視覺系統(tǒng)的補(bǔ)充，研究人員展示了電子觸角在增強(qiáng)移動(dòng)機(jī)器人觸覺感知以實(shí)現(xiàn)類生物墻壁跟隨導(dǎo)航的能力，達(dá)到了2.04毫米波動(dòng)范圍的蛇形墻壁跟隨精度。
圖5 電子觸角賦予移動(dòng)機(jī)器人觸覺感知能力實(shí)現(xiàn)類生物的沿墻導(dǎo)航
基于觸覺的地面紋理識(shí)別
當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)面臨著一個(gè)普遍性難題——地面紋理的精確感知，這一挑戰(zhàn)在家用清潔機(jī)器人領(lǐng)域尤為突出。由于缺乏有效的表面識(shí)別能力，傳統(tǒng)清潔設(shè)備往往無法根據(jù)地面材質(zhì)調(diào)整工作模式，不僅導(dǎo)致清潔效率低下，更可能對(duì)地毯、實(shí)木地板、大理石瓷磚等地面造成不可逆的損傷。針對(duì)這一問題，研究人員將電子觸安裝到移動(dòng)機(jī)器人的底部，輔助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面紋理的實(shí)時(shí)檢測(cè)。在地毯，木紋瓷磚，木地板上的識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)到了97.3%，為智能清潔機(jī)器人提供了可靠的潛在紋理感知解決方案。
圖6 電子觸角賦予移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)地面感知能力
觸覺賦能操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)恒力共形操作
建筑機(jī)器人作為解決行業(yè)勞動(dòng)力短缺和提升工作效率的重要技術(shù)手正受到越來越廣泛的行業(yè)關(guān)注。然而，這類機(jī)器人在執(zhí)行需要精確接觸感知的任務(wù)時(shí)仍面臨挑戰(zhàn)，尤其是在視覺系統(tǒng)無法提供準(zhǔn)確反饋信息的工況下。以未知曲面上的保形刷洗或者刷涂作業(yè)為例，這項(xiàng)對(duì)人類操作者而言相對(duì)簡單的工作，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)卻構(gòu)成了嚴(yán)峻考驗(yàn)。問題的核心在于難以精確獲取柔性刷毛與曲面之間的接觸狀態(tài)信息，由于柔性刷毛與剛性機(jī)械臂之間的力傳導(dǎo)存在顯著失真，傳統(tǒng)安裝在工具法蘭上的力傳感器無法提供及時(shí)準(zhǔn)確的柔性工具接觸端的反饋，導(dǎo)致刷洗/刷涂力度波動(dòng)大、表面覆蓋率低下等突出問題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員將電子觸角直接嵌入刷子刷毛內(nèi)，使其與刷毛同時(shí)偏轉(zhuǎn)以檢測(cè)接觸狀態(tài)和評(píng)估接觸力。最終實(shí)現(xiàn)了在具有三個(gè)凸起部分的蛇形表面上全覆蓋、維持穩(wěn)定恒力操作（誤差0.34N）的共形刷涂實(shí)驗(yàn)。
圖7 電子觸角賦予操作機(jī)器人恒力共形操作能力
總結(jié)來說，這項(xiàng)研究探索了仿生觸角形態(tài)的人造觸覺傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中的部署于應(yīng)用，提出的電子觸角成功輔助移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)了基于觸覺的環(huán)境感知，并輔助操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了具有挑戰(zhàn)性的曲面共形操作。
正如來著港科大MIRS實(shí)驗(yàn)室的論文第一作者任豪所說：“我們的目標(biāo)是開發(fā)魯棒人造觸覺傳感器增強(qiáng)機(jī)器人環(huán)境感知的能力，輔助機(jī)器人完整更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。未來我們會(huì)以任務(wù)為導(dǎo)向繼續(xù)探索電子觸角與其他傳感器的集成融合以及更多的柔性感知應(yīng)用。”
香港科技大學(xué)申亞京教授為本研究的通訊作者；來自MIRS實(shí)驗(yàn)室的博士研究生任豪為本研究第一作者。其他合作研究人員包括楊柳教授、張宏遠(yuǎn)、張鐵山、李根、楊雄、唐一峰以及尚萬峰教授。該工作受到香港研究資助局、國家自然科學(xué)基金/研究資助局聯(lián)合基金，以及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的資助。
參考文章：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58403-3
