可拉伸的「皮膚」傳感器:讓機器人和虛擬實境擁有人類觸覺!

2021-01-04 環球創新智慧

導讀

據美國康奈爾大學官網近日報導,該校科學家開發出一款光纖傳感器,它將低成本LED和染料結合到一起,帶來一種可拉伸的「皮膚」,可以檢測到壓力、彎曲和應變。

背景

觸覺感知能力,是機器人靈巧操控各種物體不可缺少的能力之一。目前市面上絕大多數的機器手都是通過機械化的方式,實現抓握和觸覺感知功能。可是,這樣做不僅僵硬刻板,並且非常容易損傷抓握對象。

不誇張地說,可拉伸的傳感器可以改變機器人的功能和感知方式。筆者曾介紹過美國康奈爾大學設計的柔性機器人手,它採用可拉伸的彈性光波導作為感知彎曲、伸展與力量的傳感器,能夠抓握並感知各種形狀與材質的物體。例如,這種假肢手可觸摸三個西紅柿,感知其柔軟度,從而判斷其成熟程度。

(A) 假肢手結構和組件示意圖(B)安裝在機器人手臂上的假肢手(圖片來源: 康奈爾大學)

創新

近日,美國康奈爾大學的研究人員創造出一款光纖傳感器,它將低成本LED和染料結合到一起,帶來一種可拉伸的「皮膚」,可以檢測到壓力、彎曲和應變。這款傳感器將使軟體機器人系統(以及任何使用增強現實技術的人)能夠感知豐富的觸覺,而哺乳動物正是依靠這樣的觸覺來漫遊自然界的。

SLIMS 傳感器檢測壓力、彎曲和應力等形變,並精確地指出其位置和量級。(圖片來源:康奈爾大學)

機械與航空航天工程系副教授 Rob Shepherd 領導的研究人員們正在使這項技術走向商業化,用於物理治療與運動醫學。

他們的論文「可拉伸的分布式光纖傳感器(Stretchable Distributed Fiber-Optic Sensors)」發表在《科學》(Science)雜誌上。論文的合作領導作者是博士生 Hedan Bai 和 Shuo Li。

技術

Bai 從基於矽石的分布式光纖光學傳感器汲取靈感,開發出一款用於多模感測的可拉伸光波導(SLIMS)。這個長管含有一對聚氨酯彈性體核。一個核是透明的;另一個核在多個位置填充了吸收染料,並連接至一個LED。每個核都連接了一個紅-綠-藍傳感器晶片,並登記處於光線光學路徑上的幾何學變化。

研究人員設計出一款3D列印的手套,每個手指上都有一個 SLIMS 傳感器在運行。手套由一個鋰電池供電,並裝備藍牙,從而可以將數據發送至 Bai 設計的基礎軟體,該軟體可以實時重構手套的運動和形變。

(圖片來源:康奈爾大學)

Shepherd 表示:「現在,感知主要是通過視覺完成的。在現實生活中,我們幾乎沒有測量過觸覺。這款皮膚是一個途徑,讓我們自己和機器能以目前使用手機攝像頭的方式來測量觸覺交互。它使用視覺來測量觸覺。這是以一種可擴展的方式來這麼做的最便捷和實用的途徑。」

Bai 與 Shepherd 與康奈爾大學技術授權中心合作為這項技術申請專利,著眼於在物理治療和運動醫學方面的應用。這兩個領域都利用了運動追蹤技術,但是到目前為止缺少捕捉力學相互作用的能力。

研究人員正在研究使 SLIMS 傳感器可以提升虛擬實境和增強現實體驗的方法。

Shepherd 表示:「VR 和 AR 沉浸是基於運動捕捉。觸摸幾乎不存在。舉例來說,你想要擁有一種增強現實仿真,教會你如何修理汽車或者更換輪胎。如果你有一個手套或者可以測量壓力以及運動的東西,那麼增強現實可視化可以這麼說,『轉動然後停下,這樣你就不會過度擰緊你的車輪螺母』。現在沒有其他方法,但這是一條途徑。」

關鍵詞

傳感器、增強現實、虛擬實境、光纖

參考資料

【1】Hedan Bai, Shuo Li, Jose Barreiros, Yaqi Tu, Clifford R. Pollock, Robert F. Shepherd. Stretchable distributed fiber-optic sensors. Science, 2020 DOI: 10.1126/science.aba5504

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