打造属于机器人的触觉感官—腾讯Robotics X实验室做到了更快、更轻、更准
机器人也能感知触摸之美
机器人，无论是工业机器人还是家用机器人，在现代生活中已屡见不鲜，成为人类功能的延伸。在对智能机器人的探索旅程中，人们渴望赋予它们人类的感知能力，尤其是视觉和触觉。视觉的发展已取得了显著的进步，而触觉作为日常生活中不可或缺的部分，对机器人来说同样至关重要。
触觉不仅是评估物体大小、形状等属性的手段，还能通过压力、振动等感觉信息感知周围环境，规避潜在危险。对于机器人而言，触觉是其理解现实世界物体交互行为的重要工具。通过触觉感知，机器人能够获取物体的重量、刚度、变形等信息，实现对物体的精准定位及执行各种操作任务。
值得一提的是，触觉是人类进化过程中最早发育且最原始的感知能力，具有主动、双向交互的特性。这一特性使得触觉在机器人技术中占据重要地位。感知与渲染是触觉的两大核心部分，而实现这两大功能的关键分别是触觉传感器和触觉执行器。
在国内，腾讯RoboticsX实验室致力于推进人机协作的下一代机器人研究。针对触觉领域，该实验室进行了深入探索，在柔性触觉传感器和执行器领域均取得了一系列研究成果。近期，该实验室联合其他科研团队在多个权威期刊上发表了代表性论文，揭示了其中的技术独到之处。
触觉传感器：模仿生物皮肤，高效感知
触觉传感器是模仿生物皮肤的触觉感知功能而设计的电子器件。它们能够检测接触事件中的机械、温度、疼痛等多模态刺激，为智能机器人系统或假肢提供运动轨迹规划、物体操纵和安全操作的信息。为了实现高效感知和控制，开发柔性、高灵敏度、高空间分辨率、多模态的电子皮肤至关重要。目前，业界已经出现了多种基于不同工作原理的机器人触觉感知方法。
其中，压阻式传感器因其构造简单而成为重要的发展趋势。尽管其目前面临灵敏度低、检测压力范围窄、响应速度慢等挑战，但腾讯RoboticsX实验室正致力于提升其各项指标，并研制高分辨率的晶体管基阵列。这些努力为机器人触觉传感器的应用提供了优越的电子材料，推动了机器人技术的发展与应用。随着这些技术的不断进步，机器人的触觉感知能力将越来越接近人类，为实现真正的人机交互铺平道路。在实验室与清华大学集成电路学院合作的“Large-ScaleIntegratedFlexibleTactileSensorArrayforSensitiveSmartRoboticTouch”项目中，我们成功开发了一种卓越的压阻式传感器阵列。该研究成果已经在ACSNano期刊上发表，其链接为：[链接
该论文展示了一种创新的64×64柔性触觉传感器阵列，它结合了高性能压阻膜和大面积碳纳米管薄膜晶体管的活性矩阵。这种组合实现了高达0.9mm的空间分辨率，相当于每英寸拥有28.2像素的清晰度。所研制的压阻薄膜展现了惊人的性能，包括高达385kPa^-1的压力灵敏度、仅3ms的快速响应时间、出色的线性度、超过1400kPa的检测范围以及超过3000次的循环耐久性。更令人印象深刻的是，这种传感器阵列能够清晰地识别仿真蜜蜂的足底图像信号。
除了上述成果，研究者还成功将这一技术与忆阻器存算一体芯片相结合，形成了智能触觉系统。这一系统可以准确地记录和识别手写体数字和汉字书法，分类准确率分别达到了98.8%和97.3%。
在物联网技术迅猛发展的背景下，特别是在第四次工业革命的浪潮中，传感器作为收集并传递信息的关键单元，其重要性日益凸显。尽管有线和无线传感是两种主要实现方式，但无线传感系统的优势如安装方便、灵活性高、维护简单使其应用场景越来越广泛。
传统的无线传感技术存在体积大、刚性、高能耗和高成本等问题，这限制了其在许多领域的应用。幸运的是，新兴的摩擦纳米发电机（TENG）技术为无线传感提供了新的可能。腾讯RoboticsX实验室与香港中文大学的联合研究在两篇重要论文中，展示了基于TENG的柔性触觉传感器的最新进展。
在第一篇论文中，研究者开发了一种名为SWISE的自供能无线传感贴纸。这一创新贴纸可以将机械信号转化为电磁波信号进行无线传输，完全不需要电池或导线。SWISE器件的诸多优点令人瞩目，包括一体化设计、完全自供能、柔性、可形变、超小型化（仅9mm×9mm，如指甲盖大小）、超薄（仅95μm）、超轻（仅16mg），并且能够实现远距离传输（超过30米）。这项研究将电磁波生成和自供能无线传感带入了一个全新的时代。与最先进的无线传感设备相比，SWISE在器件尺寸和传输距离上均表现出卓越的性能，同时兼具完全自供能和纯柔性的特点。
在此基础上，研究者进一步制作了自供能无线柔性键盘和智能腕带，这些设备能够检测和传输来自多个按键的信号。SWISE的潜在应用范围非常广泛，包括可穿戴和植入式设备、机器人、生物医学、人机界面以及基础设施等领域。
第二篇论文是对SWISE工作原理的进一步拓展，提出了一种通用的自供能无线传感解决方案。该方案利用击穿放电效应将机械信号转化为电磁波信号，并通过多种商业传感器进行调制。这种创新方法为实现商业传感器的自供能无线传感平台铺平了道路。研究者通过调整系统参数如电阻、电感和电容，以及调制频率和阻尼比，实现了无线信号的表征。这一重要进展为无线传感技术开辟了新的可能性，并为未来的应用提供了坚实的基础。在无线传感技术的尖端领域，研究者正致力于创新，为现代传感器注入新的活力。基于先进的方法，SWISE技术已经实现了商业传感器的耦合，通过电磁波实时传输多种物理信号的感知信号，这一过程是自供能和无线的。为了验证这一方法的可行性，研究者用不同的调制方法演示了自供能无线温度和压力传感系统。这些系统正逐步走进我们的视野，并在多物理信号感知领域展现出广阔的应用前景。
腾讯RoboticsX实验室与清华大学深圳国际研究生院共同在NanoEnergy发表了一篇引人注目的论文。该研究提出了一种基于TENG的新型电子皮肤触觉传感器，该传感器仅利用单一机制就能实现多模态传感。通过引入小波变换，研究者们实现了信号解耦方法，并在此基础上构建了一个无线且集成度高的系统MTSensing。这一系统被用于实时和同步的材料与纹理识别，表现出卓越的性能。
让我们深入探讨一下电容式传感器的发展。电容传感器因其灵敏度高、响应快速而备受瞩目，广泛应用于智能穿戴、机器人传感和人机交互等领域。传统的电容传感器多采用异质结构，但存在界面不稳定的问题。为了攻克这一难题，腾讯RoboticsX实验室与南方科技大学合作，在Nature Communications上发表了一篇论文。他们采用了同质、拓扑交联的增韧微结构界面设计，实现了高灵敏度和高界面稳定性的完美结合。
这种创新设计大大提高了传感器的响应速度，并提升了其稳定性。即使在10万次的摩擦循环测试或1万次的5kPa剪切力循环测试下，该传感器仍能保持信号稳定。更令人印象深刻的是，当将传感器应用于汽车车胎时，即使行驶长达2.6公里，传感器依然能够正常工作，未出现界面破坏的情况。该传感器在软体机器人的不同抓取场景下都表现出卓越的稳定性。
腾讯RoboticsX实验室的一系列创新研究工作在多个方面提升了触觉传感器的性能。仍面临一些挑战，如性能退化问题。未来的研究将聚焦于如何延长传感器的使用寿命以及如何更有效地进行维护。随着新材料和新工艺的出现，触觉传感器的制作材料和结构设计方面将迎来更多可能性。业界正在涌现许多基于石墨烯薄膜及其衍生物的柔性触觉传感器研究工作，这些传感器的实际性能令人瞩目。
在触觉执行器方面，如果说传感器是感觉器官，那么执行器就是控制器官。执行器是实现高性能触觉反馈的重要组成部分。它们通过产生的振动或作用力提供触觉反馈，增强交互沉浸感，从而实现更高效的响应及控制。人体触觉渲染主要分为动觉和压觉两大类。对应于人体的触觉渲染，执行器也分为压觉和动觉两种类型，它们在评价标准上各有侧重。目前执行器领域已经出现了多种激发方式，它们在响应速度、分辨率和安全性等方面的表现各有优势。随着技术的不断进步，我们期待看到更多创新性的执行器解决方案出现，为触觉渲染技术带来新的突破。压觉执行器：电刺激、电磁与气动技术的融合
压觉反馈技术，如同触摸心灵的细腻画笔，为我们带来沉浸式的体验。其评价标准涵盖了空间分辨率、最大压觉刺激强度、刺激强度等级和响应时间。在人体双手的指尖，尤其是指尖正中，分布着密集的压觉感受器。最新技术能在指尖实现多个压觉反馈点，使我们能感受到更为细致的刺激。
目前实现压觉的方式多种多样，但尚无明显优势的技术方案。以meta和HaptX为例，他们采用的气动方式虽有一定的效果，但在实际应用中仍受限颇多。而腾讯RoboticsX实验室则在此领域进行了深入探索，并研究出了三种完全不同的实现方式。
首先是微电流压觉执行器阵列（电刺激）。这种方式能在单一指尖上渲染出高达105个触觉点，频率可达惊人的4KHz。其工作电压已降至人体安全电压以下，且形态为柔性电路，不带来任何重量或体积的问题。这种技术为我们带来了接近人体机械感受器密度的压觉体验，甚至能单纯依靠压觉辨别英文字母和数字。
接下来是基于电磁的压觉执行器阵列。这种方式在物理接触渲染原理下，为指尖带来了更为自然和明显的触觉感受。还有一种基于气动的TPU压觉执行器阵列，其在成本、舒适性方面都有显著优势，并能根据需求制备不同尺寸阵列，适用于人体各个部位。
动觉执行器：自由度的探索与挑战
动觉反馈评价的关键在于自由度、最大力矩和响应时间。自由度越高，越能模拟人类手部的灵巧操作。高自由度也意味着实现复杂程度的增加、设备重量和耗电量的增长。
现阶段动觉的主要实现方式是通过小型舵机。如何在较小体积与重量下实现大力矩输出是核心挑战。腾讯RoboticsX实验室为此进行了深入的创新，为每个手指布局两个定制舵机和一个微型编码器，以此渲染手指不同部位的力，并在与业界其他解决方案的比较中表现出优势。
动压觉结合：未来的无限可能
动压觉结合技术能够为我们带来真实且沉浸的触觉渲染体验。尽管目前这一领域仍有诸多挑战需要克服，但随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来这一技术将为我们带来更为丰富和细腻的触觉体验。虽然当前的触觉反馈设备大多局限于动觉或压觉单一领域，仅有少数前沿产品原型能够融合动压觉，但市场上仍缺乏兼具动觉与压觉的交互产品。对此，腾讯RoboticsX实验室给出了领先行业的解决方案，在自由度等关键指标上实现了卓越表现。实验室开发的机器人执行器，作为机器人执行抓握任务的末端机构，不仅要考虑施加压力、有效载荷和空间限制等因素，还需要确保高效协同传感器的工作。在应对复杂任务时，这种执行器的表现至关重要。腾讯的技术团队不仅在实现动压觉结合的原型设计上取得了进展，更是成功地将这项技术推向实际应用阶段，为行业发展注入了新的活力。