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先進機械傳感器媲美人類皮膚觸感

台灣好報/沁諠 2021.05.16 13:13
【沁諠/編譯】 
香港城市大學(城大)學者研發出仿如人類皮膚的新型觸覺傳感技術,有望改善身體有嚴重創傷人士的生活質素。

上述極其精巧的技術是由城大學者領導的兩個計劃研發,令機械手靈巧如人手,能夠拿線穿針,甚至抓住豆腐而不捏碎。

首項研究計劃由城大生物醫學工程學系副教授申亞京博士領導,與香港大學合作。該計劃研發出可媲美人類皮膚的新型柔性觸覺傳感器。

研究結果刊登於學術期刊《科學.機器人學》,題為「具有外力自解耦觸感超分辨率的柔性磁化皮膚」。有關研究將促進智能假肢及人機互動等範疇的應用發展。

此傳感器設置於仿照人類多層皮膚的結構內,其最大特點是具解耦的能力,即將外力自動區分為兩類不同力量,並準確量度該兩種力度,以分析或控制物體的靜止或運動狀態。

此外,傳感器的觸感「超分辨率」可精確判斷外來刺激的位置。申博士說:「我們利用深度學習,開發出一種高效的觸感超分辨率算法,把外來刺激的定位精確度提高了60倍,是眾多超分辨率方法中,至今所報導過的最佳紀錄。」

申博士說:「就我們所知,這是首個同時具有自解耦和超分辨率功能的觸覺傳感器。」

研究團隊將傳感器安裝在機械手上進行實驗,顯示機械手可以完成具挑戰性的任務。例如,機械手在有外力嘗試干預的情況下,仍能非常穩定地抓緊易碎物件如雞蛋,並在遠程操控下拿線穿針。

申博士補充說:「我們研發的傳感器可應用於自行適應抓取、靈巧操作、識別質感、智能假肢及人機互動等方面。媲美人類皮膚的人工柔性觸覺傳感器日漸進步,將有助家用機械人成為我們未來日常生活的好幫手。」

另一項研究計劃由城大機械工程學系助理教授楊征保博士共同領導。研究團隊在人類皮膚精巧結構的啟發下,研發出高度敏感的觸覺傳感器陣列,有望讓皮膚受損者及截肢者重拾觸覺,並可應用於監測人體健康狀況上。

團隊研發的雙層壓電效應觸覺傳感器陣列由兩層保護層、單層隔離層及兩層壓電感知層組成。他們也發明了「行+列」電極排列模式,可大量減省成本。

楊博士表示:「我們研發的系統能即時感應及判斷外界的刺激如扭曲、拉緊及按壓等。它的反應速度極快,反應時間可短至10毫秒,甚至比人體皮膚的反應還要快!」

此觸覺傳感器非常精巧,能夠成功將豆腐抓住而不捏碎,顯示這技術有巨大潛力應用於人機互動界面上,可促進智能假肢、機械手,及處理柔軟和易碎產品器材的發展。

該系統大有可能用於重建人類的觸覺系統,例如為皮膚受損者及截肢者重拾觸覺。此外,該傳感器亦可透過檢測微弱的動脈脈搏,協助監測人體健康狀況。

團隊的研究結果刊登於學術期刊《先進科學》,題為「仿照人類皮膚、以無訊號串擾的行+列電極排列模式區分不同時空刺激的觸覺傳感器陣列」。

圖一:申亞京博士研發出可媲美人類皮膚的新型柔性觸覺傳感器。
圖二:楊征保博士(左)與團隊研發出高度敏感的觸覺傳感器陣列。
圖三:申博士的團隊將傳感器安裝在機械手上,可在遠程操控下拿線穿針。


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