北卡羅來納大學(xué)和以色列特拉維夫大學(xué)的科研人員克服了實現(xiàn)低成本先進機器人觸覺的一大障礙。作者認(rèn)為，許多關(guān)于觸覺傳感器的論文中一直潛藏的問題在于機器人皮膚本身。

在這項研究中，用于制造皮膚的廉價硅橡膠復(fù)合材料被發(fā)現(xiàn)其上下表面存在一層絕緣層，這阻礙了傳感聚合物與監(jiān)測表面電極之間的直接電氣接觸，使得準(zhǔn)確和可重復(fù)的測量幾乎不可能。隨著誤差的消除，廉價的機器人皮膚可以讓機器人模仿人類的觸覺，使它們能夠感知物體的曲線和邊緣，這對于正確抓握物體是必要的。

在發(fā)表在《先進電子材料》期刊上的一篇論文中，一個由電氣工程師和聚合物材料科學(xué)家組成的多學(xué)科研究團隊揭示了這個問題，并提供了驗證電氣接觸的實用步驟，這些接觸可能無意中掩蓋了設(shè)備性能，根據(jù)西北大學(xué)的馬修·格雷森（麥科密克工程學(xué)院電氣與計算機工程教授）的說法。

“許多科學(xué)家誤解了他們的傳感器響應(yīng)，因為他們將接觸的行為與傳感器材料的行為混為一談，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，”格雷森說。“結(jié)果，如果你沒有意識到這個問題，你可能會發(fā)表一些無人能重復(fù)的論文。我們的工作確定了問題的確切原因，在微觀和電氣方面量化了其程度，并提供了一份清晰的逐步故障排除手冊來解決這個問題?！?/p>

用于典型機器人皮膚的橡膠，稱為彈性體，是靈活、輕便且廉價的，當(dāng)添加像碳納米管這樣的導(dǎo)電填料時，所得復(fù)合材料成為理想的觸覺傳感器候選者，其電阻在受壓時局部變化。但要接收電信號，傳感器需要電接觸，研究人員檢測到這種復(fù)合材料中普遍存在的薄絕緣層，該絕緣層會極大地改變接觸行為。僅通過打磨超薄的絕緣層，該團隊就能實現(xiàn)更強的電接觸，并用電學(xué)和顯微鏡方法校準(zhǔn)絕緣層的厚度。

"所有有趣的事情都發(fā)生在界面處，"聯(lián)合作者、特拉維夫大學(xué)教授 Noa Lachman 說。"這項發(fā)表不僅展示了傳感器界面的重要性，也展示了在兩個不同學(xué)科：材料科學(xué)和電氣工程之間的交叉領(lǐng)域工作的重要性。材料專家多年來一直懷疑導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料中存在這種絕緣外層，但無法理解其電學(xué)效應(yīng)。我們每個人都有一塊拼圖，但只有在一起才能得到完整的畫面。"

機器人尤其復(fù)雜，部分原因是因為它需要許多種類的專業(yè)知識。例如，設(shè)計機器人功能電子材料的聚合物材料科學(xué)家，與處理傳感器信號的電氣工程師所接受的教育和技能并不相同。格雷森說，"接觸準(zhǔn)備"的挑戰(zhàn)正是這項研究的討論開始的地方。

"這就是為什么我們的與特拉維夫的合作至關(guān)重要——他們知道我們不知道的材料科學(xué)知識，格雷森說。我們依賴他們來制備我們正在研究的材料，然后我們拿過來研究，再反過來幫助特拉維夫的材料科學(xué)家更好地表征他們的材料。"

生產(chǎn)新材料——然后復(fù)制它們——需要控制許多不同的變量，而這些變量往往很難甚至不可能控制。格雷森在關(guān)于觸覺傳感的許多文獻中暴露了可重復(fù)性問題，他挑戰(zhàn)研究界按照論文中描述的質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)來要求自己達到更高的標(biāo)準(zhǔn)。隨著這個問題在研究人員中的認(rèn)識逐漸普及，新的出版物可以更嚴(yán)格地依賴來推動該領(lǐng)域以新的能力前進。

該研究得到了美國國家科學(xué)基金會（NSF ECCS-1912694, NSF DMR-1720139）的支持，通過 Crown Family Fund 由西北大學(xué)資助，Leslie 和 Mac McQuown 資助，通過納米科學(xué)與納米技術(shù)中心由特拉維夫大學(xué)資助，以及美國-以色列雙邊科學(xué)基金會（BSF 資助編號 2018732）。額外的出版支持來自西北大學(xué)的以色列創(chuàng)新項目和西北大學(xué)電氣與計算機工程系。