虽然视（shì）觉在机器人（rén）的感知中占主导地位，但视觉受（shòu）限的动物却能使用其他感知形式（如触觉）巧（qiǎo）妙地导航环境，科（kē）学家（jiā）已（yǐ）经努力将具有（yǒu）触觉感知（zhī）的人造皮肤应用于机器人（rén），以获（huò）得类似复杂的（de）移动（dòng）和操作技能。

 

一（yī）种新的合成材（cái）料可以（yǐ）创建一个类似（sì）于生（shēng）物神（shén）经系统（tǒng）的相关感官网络（luò），可以使（shǐ）软机器人感知它们如何与环境相互作（zuò）用（yòng）并相应（yīng）地（dì）调整它们的行为。在功能上模仿传入感觉神经网络的（de）能（néng）力，这是全身分布式传（chuán）感（gǎn）和通（tōng）信网络所必需的，现在仍然缺乏。这种限制部分是（shì）由于机器人体内的机械传感器缺乏协整性（xìng）。

 

在这里，分布在（zài）3d打印弹性体框架（jià）中的可拉伸光纤的连接（jiē）创造了（le）一个协整体、传感和通信网络。这种软的（de）、功能（néng）性（xìng）的（de）结（jié）构能够以亚毫米级的定位精（jīng）度（误差为0.71毫米）和亚牛顿级的力分辨率（约0.3牛（niú）顿）定位变形。
 

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“我们（men）希望有一种（zhǒng）方法来测量高度可变形（xíng）物体的应力（lì）和应变，我（wǒ）们（men）希望（wàng）使（shǐ）用硬（yìng）件本（běn）身，而不是视（shì）觉，”实验室主任（rèn）Rob Shepherd说，机械和航空航天工程副教授（shòu）和论文的高级作（zuò）者。“从生物学角度考虑这（zhè）个问题的（de）一（yī）个好（hǎo）方（fāng）法。一个盲（máng）人仍然可以（yǐ）感觉到，因（yīn）为（wéi）他们的手指传感器会在（zài）手指变形（xíng）时变形，机器人现（xiàn）在没（méi）有这种感觉。”

 

Shepherd的实验室以（yǐ）前创造了使用光纤检（jiǎn）测这种变形（xíng）的感官泡沫。对于光（guāng）学花（huā）边项目，Xu使用由3-D印刷聚氨酯制成的柔性（xìng）多孔网格结构。她用含有十几（jǐ）个机（jī）械传感器（qì）的可拉伸光纤（xiān）穿过其核心，然后连接LED灯照亮（liàng）光（guāng）纤。

 

当她在各个点按（àn）下晶格结（jié）构时，传感器能（néng）够精确定位光子流的变化。

 

许多生物（wù）系统已（yǐ）经适应通（tōng）过发展（zhǎn）缠绕的脑（nǎo） - 身（shēn）体关（guān）系在功能上与外部环境（jìng）相互（hù）作用。这种复杂的安排允许后（hòu）者感（gǎn）知世界（jiè），前者以（yǐ）闭环方式解释它（tā）。随着机器人（rén）在物理（lǐ）上越来（lái）越复杂（zá），认（rèn）知越来越先（xiān）进，我们可以（yǐ）从动（dòng）物（wù）神经系统中获取灵感，为（wéi）控制机器（qì）人文物（wù）创造必要的基础。

 

通过视觉，听觉（jiào），嗅觉，味觉，触觉，甚至磁场（chǎng）和（hé）电场（chǎng）的（de）解释，动物和植物都能感受到外在的感觉（jiào）。本体（tǐ）感觉，自身身体部位的（de）位置和状态的知（zhī）识（shí），也是（shì）通过（guò）这些感觉器官的（de）某些（xiē）组合来实现的; 特别是动物使用通过皮肤下（xià）的机械感受器感受到的振动和力，并通过肌（jī）肉（ròu）和腱。根（gēn）据这（zhè）些信息，他（tā）们执行复杂的任务，例如在失明时操（cāo）纵或在受伤时改变他们的（de）行为。
 

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本体感受泡沫圆筒。
图片（piàn）来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

目（mù）前，自主机器人主要使用（yòng）放置在（zài）末端执行器上（shàng）的视觉和（hé）触觉（jiào）检测器进行外（wài）部感知（zhī）和（hé）关节处的传（chuán）感器以及用（yòng）于（yú）本体感觉的质（zhì）心以完成复杂（zá）的任务。如在（zài）动物的神经回路（lù）中那（nà）样，更分散的传感器网络将允许机器（qì）人以更（gèng）高的（de）触觉分辨率相互作用（yòng）并且测量随时间累积的机械损伤（即，弯曲或断（duàn）裂（liè）的（de）肢体）。分布式（shì）体积传（chuán）感的重（chóng）要性在软机器人领域更为明显，其中机器（qì）的每个（gè）部分都会变形。在这些（xiē）机器人，分布在整个身体的伸（shēn）缩（suō）传感（gǎn）器（qì）最近才（cái）用于反馈控制。

 

“当（dāng）结构（gòu）变形时，输入线和（hé）输出线之间会（huì）有接触（chù），并且光（guāng）线会跳入结构中的这些（xiē）输出回路，这样你就可以知道（dào）接触（chù）发生的位置，”徐说。“这种强度决定了变形本身的强度。”
 

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展示（shì）了可以准确检测出被按（àn）压位置的外部感受“钢（gāng）琴”。
图片来源：Xu等（děng），Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

Shepherd说，光（guāng）学花（huā）边不（bú）会（huì）被用作机器人的皮肤涂层，但更像是肉体（tǐ）本身。装有这种材（cái）料的机器人（rén）将更（gèng）适合（hé）医疗（liáo）保健（jiàn）行业，特（tè）别是寿命终（zhōng）止和临终关（guān）怀以及制造业。
 

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展示了本体感（gǎn）受泡沫（mò）圆筒，可以测量（liàng）自身压缩（suō）水（shuǐ）平。
图片（piàn）来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

虽然光学花（huā）边的灵（líng）敏度不如人类指尖（jiān）那么敏感（gǎn），但是（shì）人体指尖充满了神经感受器（qì），但是这种材料对人体的背部更敏感。这种材料也是可以清洗的，这导致了另一种应用：Shepherd的实验室已经（jīng）成立（lì）了一家初创公（gōng）司，将（jiāng）Xu的（de）传感（gǎn）器（qì）商业（yè）化（huà），制（zhì）作出（chū）可以测量人体形状和运动（dòng）的服装，用于增强现实训练。
 

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展示泡沫圆筒上的（de）外部感（gǎn）知，可以检测到（dào）它（tā）被（bèi）触摸的位置（zhì）。
图（tú）片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）
 

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基于光（guāng）学花边的机（jī）器人在多个（gè）位置感（gǎn）应变形的计算机模型（xíng）。
图片来源：Xu等，Scirobotics,4，eaaw6304（2019）

 

该论文“合成传（chuán）入神经网络的光学（xué）花边”于（yú）9月11日在Science Robotics上发表。