加州大学、耶鲁大学、斯坦福大学、剑桥大学和首尔国立大学的研究人员最近进行了一项研究，回顾了最近在开发机器学习增强电子皮肤方面所做的努力。他们发表在《科学机器人学》(Science Robotics)杂志上的综述文章，概述了这些电子皮肤如何帮助开发具有触摸功能的软机器人，同时也描述了目前阻碍其大规模应用的挑战。

“我们的总体想法是总结目前的工作和软机器人触觉感知、交互和探索方面的开放问题，”本雅明·施(Benjamin Shih)和迈克尔·T·托利(Michael T Tolley)通过电子邮件告诉TechXplore。“最近该领域的研究主要集中在驱动方面，一些团队致力于嵌入式、基于触摸的传感器，还有一些团队将它们结合起来，以关闭回路，研究反馈控制和状态估计。”

Shih、Tolley和他们的同事对过去文献的分析表明，基于触摸的传感器目前还不是软机器人研究的主要焦点。然而，他们发现了大量探索电子皮肤潜力的工作，软机器人专家在开发新机器人时可以利用这些潜力。

在过去十年左右的时间里，世界各地的研究小组一直在开发具有先进传感能力的精密电子皮肤。这些电子皮肤已经变得越来越复杂，他们中的许多人现在能够收集大量的触觉数据。机器学习技术可能被证明是处理和解释这些数据的非常有价值的工具。

Shih和Tolley说:“随着我们逐步实现机器人生物能力的匹配，软机器人、电子皮肤和机器学习这三种工具和技术有可能显著提高当今机器人的能力。”“机器人技术已经是一个令人难以置信的跨学科领域，在机器人设计中引入材料科学方面的知识，进一步增加了成功制造智能软机器人所需的背景和专业知识的多样性。”

除了讨论最近开发的将电子皮肤与机器学习相结合的技术的潜力外，Shih、Tolley和他们的同事在他们的论文中强调了阻碍大规模生产的一些公开挑战。据研究人员称，在这些电子皮肤广泛使用之前，需要克服的关键挑战之一与它们的连接方式有关。虽然多路复用技术(一种可以大大减少布线的技术)可以帮助解决这个问题，但是e-skin内的每个传感器仍然需要用两根导线连接。

Shih和Tolley说:“我们强调了开放的挑战和未来的方向，将软机器人、电子皮肤和机器学习结合在一起，以推动自主软机器人的边界，不仅可以安全地探索和触摸他们的环境，而且可以同时理解他们的相互作用。”

根据研究人员的说法，将电子皮肤和机器学习结合起来，有两个特别的机器人功能可能会受益良多，那就是形状感知和反馈控制。这两种能力都能使机器人与其环境之间进行更高级的交互，同时也能使机器人更有效地探索其周围环境。

由于许多机器人在接触到特定的环境刺激(如障碍物或其他物体)时都会改变形状，增强的形状感知和反馈控制能力可以为它们提供有价值的信息，帮助它们对这些刺激做出最有效的反应。此外，电子皮肤的高分辨率和机器学习技术通常具有先进的处理能力，结合软机器人的高度顺应材料，可以导致显著的结果。

在他们的综述中，Shih, Tolley和他的同事们也讨论了从自然中获得灵感的可能性，当设计在机器人上复制触摸功能的系统时。更具体地说，他们认为神经元在人类和动物体内传递信号的方式可能是e-skin开发人员非常有价值的灵感来源。

研究人员说:“然而，我们的综述最有意义的方面是为未来的软机器人研究目标制定的框架。”“我们描述了软机器人专家(以及一般的机器人专家)在开发智能自主机器人方面面临的几个公开挑战和可能的下一步行动。”随着机器人和自动化越来越普遍，这些问题的解决方案将开启下一代的能力。”

Shih、Tolley和他们的同事相信，未来机器人将广泛应用于各种环境，包括人们的家庭、医疗设施、工作场所和许多其他环境。通过回顾最近开发机器学习驱动的电子皮肤的方法，并概述目前阻碍其大规模实施的挑战，他们希望他们的工作将为研究人员在这一特定领域进行进一步研究提供指导。

“我们现在计划继续追求将电子皮肤和机器学习与软机器人技术相结合，开发能够理解情感触摸的机器人。”施和托利说。“正在进行的COVID-19大流行表明，机器人和自动化可能有助于减轻卫生保健工作人员的劳动负担。在不久的将来，机器人可能会与医院的护士和医生合作，或者直接帮助病人，我们希望他们能理解像击掌或拍背这样的动作，从而与人们建立更友好的关系。”

拓展阅读：

新型电子皮肤有利于改善人机接口

导读

据德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）官网近日报道，该研究中心与奥地利约翰开普勒林茨大学的科学家们巧妙地使用磁场，开发出首个可同时处理非接触式与接触式刺激的传感器。

背景

皮肤是人体中最大的器官，也是身体功能最多样化的部分。它不仅能在数秒钟之内区分大多数不同的刺激，也可以跨越很宽的范围对信号强度进行分类。柔软的皮肤组织下面分布着庞大的传感器网络，可实时获得温度、压力、气流等外界信息的变化。

电子皮肤，能够模仿人类皮肤的功能和机械特性，由轻薄、透明、柔性、可拉伸的材料制成，可非常方便地贴合于人体皮肤表面，感知压力、温度等外界环境刺激，实现人工触觉。

监测心率、呼吸、肌肉运动等健康数据的电子皮肤（图片来源：大邱庆北科学技术院）

为机器人与义肢带来触觉的电子皮肤（图片来源：斯坦福大学）

具有超强的拉伸、感知和自愈能力的新型电子皮肤（图片来源：KAUST）

创新

近日，与电子皮肤相关的传感器研发又取得了新成果。德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）以及奥地利约翰开普勒林茨大学的科学家们巧妙地使用磁场，开发出首个可同时处理非接触式与接触式刺激的传感器。

（图片来源：HZDR / D. Makarov）

由于各种刺激信号的重叠，先前关于在单个设备上结合这些功能的尝试都失败了。这款传感器可便捷地应用到人体皮肤上，为虚拟现实和增强现实方案提供一个无缝交互平台。研究人员们将研究成果发表在科学期刊《自然通信（Nature Communications）》上。

技术

HZDR 离子束物理与材料研究所以及林茨大学教授 Martin Kaltenbrunner 领导的柔性电子实验室制造出一种与皮肤具有相同特性的电子器件。科学家们称，新型传感器可以极大简化人体与机器之间的相互作用。

Denys Makarov 解释道：“虚拟现实中的应用变得日益复杂。因此，我们需要可以处理和区分多种交互模式的设备。”

然而，目前系统的工作方式要么是通过注册物理触摸，要么是通过非接触式方式追踪物体。现在，这两种交互方式首次在一个传感器上结合起来。这个传感器被科学家们称为“磁性微机电系统（m-MEMS）”。

论文第一作者、HZDR 博士 Jin Ge 表示：“我们的传感器在不同的区域处理非接触式与接触式交互的电气信号。通过这种方式，它可以实时区分刺激来源，并抑制其他来源的干扰影响。”科学家们的非凡设计为这项工作奠定了基础。

首先，他们在聚合物薄膜上制造了一个磁性传感器，该传感器依赖于所谓的巨磁阻（GMR）。然后，这个薄膜通过硅基聚合物层（聚二甲基硅氧烷）密封，该硅基聚合物层含有一个与传感器精准对齐的圆形腔体。研究人员们在这个空洞内，将一个柔性永磁体与腔体表面上的棱锥状突尖结合到一起。

Makarov 评论道：“这一成果很容易让人联想起具有光学装饰物的保鲜膜。但是，这正是我们传感器的优点。”它正是通过这种方式保持非常特别的柔性：它完美地适应所有环境，即使在弯曲条件下，也不会失去功能。因此，这款传感器非常容易安装，例如安装到指尖。

科学家们正是通过这种方式测试了开发成果。Jin Ge 详细描述道：“在雏菊的叶子上，我们安装了一块永磁体，它的磁场指向与我们平台上的磁体相反的方向。”当手指靠近该外部磁场时，GMR 传感器的电阻变低。在手指实际接触到叶子之前，电阻都一直在降低。手指接触到叶子时，因为内置的永磁体被压得离 GMR 传感器更近，从而叠加了外部磁场，所以电阻突然升高。Jin Ge 表示：“我们的 m-MEMS 平台正是通过这种方法，在几秒钟之内记录非接触到接触的明显转变。”

价值

因此，传感器可以选择性地控制物理和虚拟物体，正如团队所进行的一项实验所演示的：他们在一个玻璃片上布置了一块永磁体，物理学家们投影了可操控真实环境的虚拟按钮，例如室温或亮度。科学家们利用带有“电子皮肤”的手指，首先通过与永磁体进行非接触式交互，选择了期望的虚拟功能。一旦手指接触到玻璃片，m-MEMS 平台自动切换到接触交互模式。然后，如果施加了轻压或者重压，就会相应地降低或者升高室温。

研究人员们将之前需要几次互动的活动，缩减至仅需一次互动。Martin Kaltenbrunner 表示：“一开始，这听上去就像一个小成果。然而，长远来看，在这个基础上，我们可以构建更好的人机接口。”这种“电子皮肤”，除了应用于虚拟现实空间，也可以应用于无菌环境。外科医生采用这种传感器，在手术期间使用医疗设备时无需触摸它们，从而降低感染的风险。

关键字

电子皮肤、人机接口、传感器

参考资料

【1】Jin Ge, Xu Wang, Michael Drack, Oleksii Volkov, Mo Liang, Gilbert Santiago Cañón Bermúdez, Rico Illing, Changan Wang, Shengqiang Zhou, Jürgen Fassbender, Martin Kaltenbrunner, Denys Makarov. A bimodal soft electronic skin for tactile and touchless interaction in real time. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-12303-5

【2】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=59697