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11月15日

可拉伸的“皮肤”传感器:让机器人和虚拟现实拥有人类触觉!

作者 : admin | 分类 : 科技产品 | 超过 10 人围观 | 已有 0 人发表了看法
原标题:可拉伸的“皮肤”传感器:让机器人和虚拟现实拥有人类触觉!

导读

据美国康奈尔大学官网近日报道,该校科学家开发出一款光纤传感器,它将低成本LED和染料结合到一起,带来一种可拉伸的“皮肤”,可以检测到压力、弯曲和应变。

背景

触觉感知能力,是机器人灵巧操控各种物体不可缺少的能力之一。目前市面上绝大多数的机器手都是通过机械化的方式,实现抓握和触觉感知功能。可是,这样做不仅僵硬刻板,并且非常容易损伤抓握对象。

不夸张地说,可拉伸的传感器可以改变机器人的功能和感知方式。笔者曾介绍过美国康奈尔大学设计的柔性机器人手,它采用可拉伸的弹性光波导作为感知弯曲、伸展与力量的传感器,能够抓握并感知各种形状与材质的物体。例如,这种假肢手可触摸三个西红柿,感知其柔软度,从而判断其成熟程度。

可拉伸的“皮肤”传感器:让机器人和虚拟现实拥有人类触觉! (A) 假肢手结构和组件示意图(B)安装在机器人手臂上的假肢手(图片来源: 康奈尔大学)

创新

近日,美国康奈尔大学的研究人员创造出一款光纤传感器,它将低成本LED和染料结合到一起,带来一种可拉伸的“皮肤”,可以检测到压力、弯曲和应变。这款传感器将使软体机器人系统(以及任何使用增强现实技术的人)能够感知丰富的触觉,而哺乳动物正是依靠这样的触觉来漫游自然界的。

可拉伸的“皮肤”传感器:让机器人和虚拟现实拥有人类触觉! SLIMS 传感器检测压力、弯曲和应力等形变,并精确地指出其位置和量级。(图片来源:康奈尔大学)

展开全文

机械与航空航天工程系副教授 Rob Shepherd 领导的研究人员们正在使这项技术走向商业化,用于物理治疗与运动医学。

他们的论文“可拉伸的分布式光纤传感器(Stretchable Distributed Fiber-Optic Sensors)”发表在《科学》(Science)杂志上。论文的合作领导作者是博士生 Hedan Bai 和 Shuo Li。

技术

Bai 从基于硅石的分布式光纤光学传感器汲取灵感,开发出一款用于多模感测的可拉伸光波导(SLIMS)。这个长管含有一对聚氨酯弹性体核。一个核是透明的;另一个核在多个位置填充了吸收染料,并连接至一个LED。每个核都连接了一个红-绿-蓝传感器芯片,并登记处于光线光学路径上的几何学变化。

研究人员设计出一款3D打印的手套,每个手指上都有一个 SLIMS 传感器在运行。手套由一个锂电池供电,并装备蓝牙,从而可以将数据发送至 Bai 设计的基础软件,该软件可以实时重构手套的运动和形变。

可拉伸的“皮肤”传感器:让机器人和虚拟现实拥有人类触觉! (图片来源:康奈尔大学)

Shepherd 表示:“现在,感知主要是通过视觉完成的。在现实生活中,我们几乎没有测量过触觉。这款皮肤是一个途径,让我们自己和机器能以目前使用手机摄像头的方式来测量触觉交互。它使用视觉来测量触觉。这是以一种可扩展的方式来这么做的最便捷和实用的途径。”

Bai 与 Shepherd 与康奈尔大学技术授权中心合作为这项技术申请专利,着眼于在物理治疗和运动医学方面的应用。这两个领域都利用了运动追踪技术,但是到目前为止缺少捕捉力学相互作用的能力。

研究人员正在研究使 SLIMS 传感器可以提升虚拟现实和增强现实体验的方法。

Shepherd 表示:“VR 和 AR 沉浸是基于运动捕捉。触摸几乎不存在。举例来说,你想要拥有一种增强现实仿真,教会你如何修理汽车或者更换轮胎。如果你有一个手套或者可以测量压力以及运动的东西,那么增强现实可视化可以这么说,‘转动然后停下,这样你就不会过度拧紧你的车轮螺母’。现在没有其他方法,但这是一条途径。”

关键词

传感器、增强现实、虚拟现实、光纤

参考资料

【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

【2】https://news.cornell.edu/stories/2020/11/stretchable-sensor-gives-robots-and-vr-human-touch

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