人類(lèi)的皮膚能夠通過(guò)觸覺(jué)分辨物體的形狀、大小、質(zhì)地、溫度、濕度等屬性。隨著機(jī)器人逐漸向智能化發(fā)展，未來(lái)，機(jī)器人是否也能像人類(lèi)一樣“感受”外界物體的溫度、材質(zhì)、甚至表面細(xì)膩的紋理？
近日，來(lái)自清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授丁文伯團(tuán)隊(duì)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界及多所國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出了名為SuperTac的多模態(tài)高分辨率觸覺(jué)傳感技術(shù)，并成功將該技術(shù)集成在僅為1毫米厚的薄膜上，如同讓機(jī)器人穿上“超級(jí)光電皮膚”，賦予機(jī)器人同時(shí)感知力度、位置、溫度、材質(zhì)、紋理、顏色、振動(dòng)、滑動(dòng)、碰撞、接近感應(yīng)等10種感知能力，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到94%以上。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—傳感器》上。
這項(xiàng)技術(shù)不僅突破了以往觸覺(jué)傳感器功能單一與精度難以兼得的困境，其搭載的觸覺(jué)語(yǔ)言模型DOVE更能讓機(jī)器人“聽(tīng)懂”并“說(shuō)出”觸覺(jué)感受，為人機(jī)交互打開(kāi)了全新的大門(mén)。
擁有10種感知能力的“超級(jí)光電皮膚”
人形機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、家用智能設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，機(jī)器人已不再局限于單一任務(wù)執(zhí)行，它們通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感知技術(shù)來(lái)感知、理解和應(yīng)對(duì)外部環(huán)境。然而，機(jī)器人在觸覺(jué)感知方面的技術(shù)長(zhǎng)期面臨“想要功能多，精度就差；想要精度高，功能就少”的兩難局面。
傳統(tǒng)機(jī)器人的觸覺(jué)感知技術(shù)主要基于電子皮膚和視覺(jué)傳感器兩種方式，然而電子皮膚功能多但分辨率低，視覺(jué)觸覺(jué)傳感器分辨率高但功能單一。就像“盲人摸象”，有的只能感知溫度，有的只能感知壓力，需要好幾種傳感器拼接在一起才能勉強(qiáng)還原物體的全貌，既笨重又不準(zhǔn)確。
“當(dāng)時(shí)，我們嘗試從光學(xué)的角度來(lái)解決這個(gè)難題。一種非常聰明的生物——鴿子進(jìn)入了我們的研究視野?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⑶迦A大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授丁文伯介紹，與人類(lèi)眼睛的三種感光細(xì)胞相比，鴿子的眼睛具有4種感光細(xì)胞，能看見(jiàn)包括紫外線(xiàn)在內(nèi)的廣闊光譜，其視網(wǎng)膜內(nèi)還含有能感知地球磁場(chǎng)的特殊蛋白，為它們提供了獨(dú)特的磁導(dǎo)航能力。
受鴿子視覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種多模態(tài)高分辨率的觸覺(jué)傳感器（SuperTac）。他們通過(guò)模仿鴿子眼睛的多光譜感知原理，設(shè)計(jì)了一套能夠同時(shí)捕捉紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、近紅外光和中紅外光四個(gè)波段的成像系統(tǒng)。其中，可識(shí)別的不同光線(xiàn)波段分工不同：可見(jiàn)光用來(lái)識(shí)別顏色和紋理，紅外光用來(lái)感知溫度，紫外光則用來(lái)追蹤皮膚上的熒光標(biāo)記點(diǎn)從而計(jì)算受力情況。這套成像系統(tǒng)就像是給機(jī)器人配了一臺(tái)“全彩夜視儀”，不僅能看到表面，還能看到物體的顏色、溫度分布、內(nèi)部形變等多維的信息。
為了實(shí)現(xiàn)這些多維信息的同步采集，研究人員在傳感器的表面制備了僅為1毫米厚的薄膜，這層薄膜集成了四層結(jié)構(gòu)：其中，最外層是導(dǎo)電層，通過(guò)摩擦起電來(lái)識(shí)別材質(zhì)；第二層是可以控制不同光線(xiàn)進(jìn)出的光學(xué)單向膜；第三層是嵌有熒光標(biāo)記點(diǎn)的透明硅膠，用于捕捉細(xì)微形變；最底層則是可充氣的硅膠層，能像氣墊一樣通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓來(lái)改變軟硬度。
“這四層結(jié)構(gòu)配合起來(lái)，就像給機(jī)器人穿上了‘超級(jí)光電皮膚’，能夠?qū)崿F(xiàn)力度、溫度、材質(zhì)、形變等多種信息的同步采集?！倍∥牟榻B。
讓機(jī)器人不僅“有觸覺(jué)”，更“懂觸覺(jué)”
“這是一個(gè)黃色的陶瓷杯，表面光滑，溫度略高于室溫?！痹谇迦A大學(xué)深圳國(guó)際研究生院的實(shí)驗(yàn)室里，研究人員正在通過(guò)靈巧手測(cè)試他們最新提出的機(jī)器人視觸覺(jué)傳感器技術(shù)。集成了SuperTac的靈巧手觸摸杯子后，就能準(zhǔn)確說(shuō)出杯子的顏色、材質(zhì)、溫度等信息。
除了給機(jī)器人穿上“超級(jí)光電皮膚”，研究人員還開(kāi)發(fā)了擁有85億參數(shù)的觸覺(jué)語(yǔ)言大模型DOVE（鴿子），它就像機(jī)器人的“觸覺(jué)翻譯官”，當(dāng)傳感器收集到的圖像和數(shù)字信號(hào)后，DOVE能夠?qū)⑦@些信號(hào)翻譯成人類(lèi)能懂的語(yǔ)言。
“比如，我們給機(jī)器人發(fā)出一個(gè)指令：‘幫我找一個(gè)軟的、溫暖的東西’，機(jī)器人就知道要去觸摸不同物體，并根據(jù)柔軟度和溫度來(lái)判斷?；蛘哒f(shuō)‘小心，這個(gè)很脆’，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)調(diào)整抓取力度。簡(jiǎn)單說(shuō)，DOVE讓機(jī)器人不僅‘有觸覺(jué)’，還更‘懂觸覺(jué)’，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的自然交流?！倍∥牟榻B。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)在多指靈巧手上的感知和識(shí)別任務(wù)上表現(xiàn)出色。例如在“盲抓”任務(wù)中，機(jī)器人在完全無(wú)視覺(jué)引導(dǎo)的情況下，僅憑觸覺(jué)就能從一堆混雜物品中準(zhǔn)確找出指定目標(biāo)，如從水果箱中識(shí)別出蘋(píng)果，成功率高達(dá)92%。在對(duì)50種不同材質(zhì)如金屬、塑料、木材、織物等的觸摸分類(lèi)任務(wù)中，綜合識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了94%。
此外，集成了SuperTac技術(shù)的靈巧手還能快速檢測(cè)物體表面的溫度分布異常，例如定位電路板上的過(guò)熱元件，展現(xiàn)了在工業(yè)質(zhì)檢和食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
丁文伯介紹，這些觸覺(jué)感知能力的展現(xiàn)，讓SuperTac在具身智能和人形機(jī)器人領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)當(dāng)前機(jī)器人缺乏精細(xì)的觸覺(jué)感知能力的問(wèn)題，該技術(shù)有望讓機(jī)器人不僅“能看”，還能“真正感受”。此外，在智能制造、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用空間。比如在極端環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備維修、在黑暗中進(jìn)行搜救作業(yè)，SuperTac的多模態(tài)感知能力都能發(fā)揮獨(dú)特作用。
“當(dāng)然，我們清晰地認(rèn)識(shí)到，一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)?！倍∥牟赋觯紫仁浅杀締?wèn)題，目前多光譜成像系統(tǒng)與精密加工的制造成本較高，需要通過(guò)優(yōu)化工藝和材料，以達(dá)到工業(yè)界可接受的水平。其次是耐用性驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)工業(yè)環(huán)境差別較大，該技術(shù)在高溫、低溫、粉塵等惡劣條件下的應(yīng)用有待測(cè)試驗(yàn)證；此外，不同應(yīng)用場(chǎng)景需要針對(duì)性地優(yōu)化算法模型。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)也將在這些方面展開(kāi)探索和優(yōu)化。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s44460-025-00006-y
編輯：李華山
