【ZiDongHua 之“自動(dòng)化學(xué)院派”收錄關(guān)鍵詞： 北京大學(xué) 機(jī)器人 傳感器 機(jī)器學(xué)習(xí)】
　　

　　【科技成果】北大團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)觸覺傳感器新成果：TVI 理論突破超分辨率力感知，機(jī)器人指尖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)多向力檢測(cè)

 
　　
　　北京大學(xué)觸覺傳感實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合德國圖賓根智能系統(tǒng)研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）團(tuán)隊(duì)，在觸覺傳感器領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破 —— 提出基于觸覺傳感單元數(shù)值等值線（Taxel Value Isoline, TVI）的超分辨率感知理論，開發(fā)出名為 “Barodome” 的機(jī)器人觸覺指尖傳感器，成功實(shí)現(xiàn)多方向力（法向力與剪切力）的超分辨率檢測(cè)。相關(guān)研究成果以 “Sensing multi-directional forces at superresolution using taxel value isoline theory” 為題，發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）期刊，為機(jī)器人觸覺技術(shù)的實(shí)用化提供重要理論與技術(shù)支撐。
　　
　　人類指尖的觸覺感知能力源于皮膚中多種機(jī)械感受器的協(xié)同作用，這些感受器能精準(zhǔn)檢測(cè)接觸物體、軟組織與骨骼間的應(yīng)力交互，其性能隨形態(tài)與真皮層深度呈現(xiàn)差異化。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)聚焦機(jī)器人觸覺交互的核心痛點(diǎn)：傳統(tǒng)觸覺傳感器雖能感知力信號(hào)，但面對(duì)復(fù)雜的多方向力（尤其是法向力與剪切力的耦合作用）時(shí)，常出現(xiàn)性能下降，且依賴密集傳感單元布局才能保證精度，導(dǎo)致成本高、魯棒性低。
　　
　　為解決這一問題，團(tuán)隊(duì)提出 TVI 綜合理論 —— 通過分析傳感單元的感知范圍、力敏感性及接觸物體特性，建立觸覺傳感單元數(shù)值等值線模型，將 “傳感器 - 接觸物體 - 多向力” 三者的復(fù)雜交互統(tǒng)一到理論框架中。該理論的核心價(jià)值在于：無需依賴密集傳感單元，僅通過優(yōu)化軟彈性體中傳感單元的放置位置、布局方式，即可實(shí)現(xiàn)超分辨率感知；同時(shí)能精準(zhǔn)解釋剪切力導(dǎo)致傳感器性能下降的機(jī)制，為傳感器設(shè)計(jì)提供明確指導(dǎo)。例如，通過調(diào)整軟傳輸介質(zhì)（如彈性體）的厚度與傳感單元嵌入深度，可定制傳感器的感知范圍與力敏感性 —— 較厚彈性體能擴(kuò)大感知范圍但降低敏感性，而將傳感單元置于彈性體中部，可在感知范圍與敏感性間實(shí)現(xiàn)平衡；軟介質(zhì)的楊氏模量、泊松比等參數(shù)也能通過 TVI 理論量化調(diào)控，如低楊氏模量可提升敏感性，低泊松比則能優(yōu)化深度方向的感知精度。
　　
　　基于 TVI 理論，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的 Barodome 觸覺傳感器，仿生人類拇指指尖形態(tài)（總高 45.0mm、直徑 21.5mm），在三維圓柱與拋物面尖端結(jié)構(gòu)的軟彈性體內(nèi)，嵌入 16 個(gè)懸浮式氣壓傳感單元（間距 6.5mm），通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型處理傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接觸位置與多向力的精準(zhǔn)推斷。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示：在純法向力場(chǎng)景下，該傳感器定位精度達(dá) 0.8mm，力量化精度為 8%，覆蓋 0-4N 力范圍；即使引入剪切力（切向與徑向），性能僅出現(xiàn)可控下降 —— 定位精度變化 0.5mm，力量化精度變化 7%，與理論預(yù)測(cè)的 0.33mm 精度損失高度吻合，證實(shí)了理論的可靠性。
　　
　　值得關(guān)注的是，TVI 理論還揭示了多向力的作用機(jī)制：切向剪切力會(huì)通過 “拉離效應(yīng)” 降低傳感器壓力信號(hào)，需更高法向力補(bǔ)償；徑向剪切力則通過推動(dòng)或拉動(dòng)彈性體，使傳感等值線產(chǎn)生傾斜偏移，這些發(fā)現(xiàn)為解耦法向力與剪切力提供了關(guān)鍵依據(jù)，避免了傳統(tǒng)傳感器依賴復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方向特異性檢測(cè)的弊端。
　　
　　該研究不僅為高性能觸覺傳感器設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)性指南，深化了對(duì)人類皮膚觸覺機(jī)制的理解，還明確了理論邊界 —— 當(dāng)前 TVI 理論適用于單點(diǎn)接觸的超分辨率感知，對(duì)于連續(xù)或分布式接觸場(chǎng)景（如復(fù)雜表面輪廓），仍需結(jié)合視覺觸覺傳感器或密集陣列等技術(shù)。未來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索生物機(jī)械感受器形態(tài)對(duì)感知的影響，以及如何通過類神經(jīng)信號(hào)融合提升傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，推動(dòng)觸覺反饋融入機(jī)器人決策系統(tǒng)，增強(qiáng)其在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的自主性與交互精度。