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Science Robotics封面：加州理工团队用电子皮肤控制机械臂，还能赋予多模式感知！
时间：2022-08-16 09:50:59
来源：网络
想要自如地操纵一台机械臂，只需在手臂贴上一片薄薄的‘电子皮肤’：
通过自己的肌肉运动来控制机器人，看起来是不是超酷！如果不想贴在手臂上，那贴脖子上试试：
你抬一下头，机械臂也跟着抬一下，不过这时间长了估计颈椎受不了，还是换回手臂上吧。
这片薄薄的‘电子皮肤’不仅能让机械臂像是长在自己身上一样控制自如，还能让机器人拥有多维度的感知能力！
这种感知包括接近、触觉和温度感知，机器人还能够感受到现场的有毒物质，如爆炸物、新冠病毒等，并通过实时触觉和威胁警报反馈通信给人类，比如让机器人去抓一个鸡蛋，如果抓得太紧有压碎蛋壳的危险，你的皮肤会感到“有点刺痛”。
这是一种由AI驱动的人机交互多模式传感机器人系统 (M‑Bot)，来自加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授研究团队，并登上了《Science Robotics》期刊六月的封面，文章标题为“All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing”
M‑Bot的核心是两片水凝胶“电子皮肤”：e-skin-R和e-skin-H，二者可形成一个闭环人机交互机器⼈传感系统。一片贴在机器人手指上，用于感知和检测周围环境；另一片贴在人类皮肤上，用于机器人的手部控制。
▍自研纳米墨水打印电子皮肤，让机械手能检测新冠病毒
在e-skin-R中，嵌入在水凝胶中的是传感器通过喷墨打印在皮肤上，就像喷墨打印机将文本打印到一张纸上一样，这里可不是普通的墨水，而是团队自开发的多种纳米材料墨水，可以低成本的将多种纳米材料等修饰在柔性基底上，并构建相应物理及化学传感器。
通过将银纳米线修饰在具有特殊表面结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，构建压阻式压力传感器，可以赋予机械手触觉感知；
同时，修饰铂纳米粒子参杂的石墨烯和MOF-808/金纳米粒子的两种电化学传感器，在水凝胶帮助下能够分别原位检测微量的TNT与有机磷。针对新冠病毒检测，研究团队在喷墨打印的碳纳米管基础上，修饰有相应的新冠病毒突刺抗体，通过电化学信号的强弱实现对新冠病毒的原位实时检测。
▍用自己的皮肤实时接收反馈
e-skin-H充当人机交互界面，由四个 sEMG 电极阵列（通道）和⼀对电刺激电极组成，可以收集生理数据，采集通过肌肉收缩产生的表面肌电（sEMG）信号。
在信号采集后，使用KNN模型解码肌电信号中的运动意图，手腕的简单轻弹即告诉机械臂向上或向下移动，人类手指的握紧或张开会促使机械手做出类似的动作；机器⼈可以在毫秒级的时间内模仿人类的手势，研究人员训练了包含上，下，左，右，抓握，伸张等六种手势，以实现机械臂及机械手的准确操控。
在机械臂向下移动到过程中，激光距离传感器首先被触发，反馈给系统，表明机械手下方有待测物体存在，同时降低移动速度以免过快接触而造成损伤。当机械手识别到物体接触，可以激活触觉和警报反馈，使用两个刺激电极之间的脉冲电流负载来通知人类，人类会感受到皮肤上的温和电刺激——“有点刺痛”。
在下一步进行抓握手势后，机械手抓住被测物体。在抓握动作完成后，又有多个压力传感器被触发，并同时启动相应位置的电化学传感器。电化学传感器对于所触碰的位置进行原位检测，根据信号强弱计算出相应位置的有害物质浓度，并得到有害物质在物体表面的分布情况。
▍未来将提高电子皮肤寿命
在赋予机器人感知能力时，多数研究都将焦点集中在物理信号的感知，如触觉（压力）传感，温度传感等；如果能够增加环境中的化学样品以及生物样品的检测，那将大幅提高机器人感知的应用范围，让机器人代替人类判断有害物质的种类及浓度，以避免人类潜在的暴露风险。
高伟（Wei Gao）教授团队设计的M‑Bot，包含了压力，温度，化学信号及生物信号等多模式传感，在监测压力与温度的同时，也实现了对爆炸物（TNT），神经毒气（有机磷），病毒（新冠病毒）等有害物质的高灵敏度原位检测。
除了机械臂，这种技术还被用在了多模式传感机器⼈船 (M-Boat)上，来检测水下化学品泄漏，可以识别泄露源的空间位置，实时检测周围分析物浓度，还能够在海水中执行连续的危险分析和自主泄漏跟踪。
“我认为我们已经展示了概念验证，” 高伟（Wei Gao）教授表示。“但我们希望提高这种机器人皮肤的稳定性，使其使用寿命更长。通过优化新墨水和新材料，我们希望它可以用于不同类型的目标检测，并将它放在更强大的机器人上，让它变得更聪明”。
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