一种用于触觉感知的强韧且全方位敏感的电子天线：为机器人触觉感知带来新突破

为解决现有触觉传感器在主动环境交互和应对大机械扰动方面的局限，研究人员开展了生物天线样电子触觉传感器（E - Antenna）的研究。结果显示该传感器机械鲁棒性强，感知精度高，能助力机器人完成多种任务，为机器人触觉感知研究提供了新思路。

　　在科技飞速发展的当下，机器人技术的应用越来越广泛，但触觉感知却成了制约其进一步发展的瓶颈。想象一下，在黑暗中执行任务的机器人，或是需要精准感知物体表面纹理进行操作的机械臂，由于触觉感知能力不足，它们往往难以高效、准确地完成工作。现有的各类电子皮肤虽然在某些方面表现出色，比如能像生物皮肤一样具有较高的空间和力分辨率，但复杂的布线、受限的变形能力以及对大机械扰动的脆弱性，使得它们在直接与环境交互时大打折扣。一些基于特定原理的人工类似纤毛传感器，也存在诸如方向辨别能力有限、机械鲁棒性差等问题。正是在这样的背景下，为了突破这些困境，香港城市大学机器人与自动化中心、香港科技大学电子与计算机工程系等机构的研究人员展开了深入研究。他们受夜间昆虫触觉感知机制的启发，设计出了一种电子天线系统（E - Antenna）。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为机器人触觉感知领域带来了新的曙光。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。在制作方面，采用模块化制造方式，使用 3D 打印制作模具，将特定的硅胶橡胶和磁性材料按比例混合、固化，最终制成 E - Antenna。在测试环节，搭建了手动和自动位移平台，用于表征传感器的静态和动态响应性能。此外，构建了触觉感知数据集，并运用多层 LSTM 顺序模型训练主动触觉感知方法（ATPM），以提升传感器的感知能力。

下面来详细看看研究结果。

• 仿生电子天线的原理、设计与制备：E - Antenna 模仿夜间昆虫的感知机制，其基本原理是通过自身变形改变磁场，进而使下方的多维磁力计读数发生变化，以此感知外部刺激。它采用部分磁化和分段柔性策略进行设计，远端由 DragonSkin 20 制成并嵌入 NdFeB 磁化纳米颗粒，近端基板则使用 Ecoflex 0030，整体重量轻。同时，配备微型三轴磁力计和紧凑的无线电路板，用于信号转换和实时传输。
• 部分磁化和分段柔性配置的理论建模与优化：通过在圆柱坐标系中对 E - Antenna 进行建模，研究人员发现分段柔性配置可提高变形灵敏度，部分磁化策略能提升磁灵敏度。实验验证表明，优化后的设计在小负载范围内灵敏度显著提高，可靠传感范围扩大，且具有更高的信噪比，能更精准地感知外部物体的细微特征。
• E - Antenna 的传感能力、机械鲁棒性和物理损伤鲁棒性表征：该传感器在 [-120, 120] mN 范围内呈线性传感，力传感的多向一致性强，方向识别精度高，动态响应性能良好，耐久性佳。它还展现出卓越的机械和损伤鲁棒性，能承受 1800° 扭转、224% 拉伸、近 360° 弯曲、远超自身重量的压缩以及针刺等，即使受损也能在一定程度上恢复功能。
• 基于顺序传感观察链的触觉感知策略：研究人员提出的 ATPM，让 E - Antenna 主动与物体交互，利用滑动窗口构建感知观察链，并通过多层顺序神经网络进行分析。在触觉曲率感知任务中，该方法表现出色，能实现高精度的曲率感知，还可用于其他环境感知任务，如表面粗糙度和拓扑结构识别。
• 可扩展的 E - Antenna 为各种机器人赋予触觉感知能力：E - Antenna 可集成到不同机器人上，助力机器人完成多种任务。例如，帮助移动机器人在黑暗环境中实现仿生贴壁导航，引导机器人根据地面纹理选择合适的清洁策略，以及使机器人手臂在弯曲表面进行精确的贴合操作等。

在研究结论与讨论部分，E - Antenna 的设计融合了生物天线的优点，具备出色的机械鲁棒性和强大的触觉感知能力。与传统平面触觉传感器相比，其独特的结构更适合主动获取触觉信息。该传感器可集成到多种平台，在机器人导航、操作以及医疗等领域具有广阔的应用前景。这项研究为人工触觉传感器的主动触觉感知提供了宝贵的见解，有望推动机器人触觉应用在多个领域的进一步发展。