一種用于自適應(yīng)機(jī)器的多模態(tài)變形和溫度傳感技術(shù)

由于體感系統(tǒng)的顯著特性，人類皮膚能夠高精度地感知多種形式的物理刺激。然而，機(jī)器通常配備由數(shù)十個獨(dú)特傳感器組成的感官套件，每個傳感器都被用于檢測有限的刺激。新興的高自由度人機(jī)界面和軟體機(jī)器人應(yīng)用因缺乏簡單、一致和信息密集的傳感技術(shù)而受到限制。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國耶魯大學(xué)（Yale University）和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員組成的團(tuán)隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Multi-modal deformation and temperature sensing for context-sensitive machines”的論文，提出了一種能夠解碼全向彎曲、壓縮、拉伸、溫度離散變化及其組合的傳感技術(shù)。這種多模態(tài)變形和溫度傳感器利用光在摻雜功能性染料的圖案化彈性體中傳播時的色度和強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)其傳感功能。變形和溫度變化會增強(qiáng)光的色度和強(qiáng)度，從而在順序組合的刺激模態(tài)和傳感器輸出之間形成一對一的映射。研究人員通過全面的光-熱-機(jī)械分析研究了傳感器的工作原理，并發(fā)現(xiàn)單個傳感元件提供的信息密度可以破譯豐富多樣的人機(jī)交互和機(jī)器人環(huán)境交互。

為了擴(kuò)展機(jī)器的感知能力，研究人員創(chuàng)建了ChromoSense：一種能夠分辨全向彎曲、壓縮、拉伸、溫度離散變化以及有效的順序應(yīng)用組合的傳感架構(gòu)。ChromoSense是一種由染色的光學(xué)透明橡膠制成的可拉伸圓柱體，連接在剛性的3D打印接口之間（圖1）。頂部的剛性接口裝有一個120°傳輸角的白色LED。底部的剛性接口容納了一個微型光譜傳感器。

圖1 ChromoSense：多模態(tài)變形和溫度傳感

研究人員對ChromoSense進(jìn)行了各種單一模態(tài)刺激（彎曲、拉伸、壓縮、溫度變化）的表征，如圖2所示。

圖2 單一輸入模態(tài)表征

為了評估ChromoSense識別多模態(tài)刺激的能力，研究人員進(jìn)行了彎曲+熱、拉伸+熱、壓縮+熱、彎曲+拉伸、彎曲+拉伸+熱的組合加載。結(jié)果表明ChromoSense能夠區(qū)分兩種甚至三種順序組合模態(tài)（圖3）。

圖3 復(fù)合輸入模態(tài)表征

由于ChromoSense能夠穩(wěn)定地識別多種組合刺激，因此在可穿戴設(shè)備、人機(jī)界面和軟體機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。首先，研究人員將ChromoSense安裝在上半身輔助的柔性外骨骼（soft exosuit）上，單個傳感器會提供密集的狀態(tài)反饋，可用于推斷佩戴者的3D姿勢（圖4）。

圖4 基于ChromoSense的柔性外骨骼狀態(tài)估計

接下來，ChromoSense被用于為能夠適應(yīng)環(huán)境或用戶動作的3-DoF界面的實(shí)時全向彎曲進(jìn)行狀態(tài)估計。在觸覺界面中，人們通常希望降低傳感硬件的復(fù)雜性和占位面積，以保留設(shè)備帶寬和幾何形狀。為此，研究人員將ChromoSense放置在基于折紙原理的用戶界面中，將估算其表面方向所需的傳感器數(shù)量從至少三個（每條腿上）減少到一個（圖5）。

圖5 3-DoF折紙界面末端執(zhí)行器姿態(tài)估計

最后，研究人員將ChromoSense應(yīng)用于可變剛度軟體機(jī)械手中，以促進(jìn)其自主、同步熱信號處理和曲率控制（如圖6所示），這在傳統(tǒng)上需要變形傳感器和單獨(dú)的溫度傳感器才能實(shí)現(xiàn)。同時解耦多種刺激的能力提高了信息密度，使機(jī)械手能夠自適應(yīng)地響應(yīng)環(huán)境。

圖6 自主可變剛度機(jī)械手

綜上所述，ChromoSense利用摻雜有功能性染料的彈性體的并行和串聯(lián)模式來檢測豐富的接觸和非接觸刺激——所有這些都在單個傳感器中進(jìn)行。這些刺激包括拉伸、壓縮、全向彎曲、溫度的離散變化及其有效的順序應(yīng)用組合，它們可以通過色度和強(qiáng)度變化來識別。單個ChromoSense即可替代傳統(tǒng)的傳感器陣列，用于可穿戴設(shè)備、人機(jī)界面、軟體機(jī)器人以及未來大量其它高自由度機(jī)制的狀態(tài)反饋。

利用傳感器主體材料的內(nèi)在光學(xué)特性，研究人員不僅能夠捕獲豐富多樣的刺激，而且可以避免考慮導(dǎo)電復(fù)合傳感器中可能出現(xiàn)的問題，例如應(yīng)變速率依賴性、電遷移和Mullins效應(yīng)等復(fù)雜屬性。因此，ChromoSense的設(shè)計范式適用于多個尺度，并且適用于超出本研究所述的許多設(shè)計。盡管ChromoSense在同時解耦多種刺激方面存在一定的局限性，但在未來的工作中通過使用一些數(shù)據(jù)處理方法有望解決這個問題。

審核編輯：劉清