Nature Communications 仿生电子天线：赋予机器人敏锐 “触觉”
研究背景在机器人应用中，触觉感知对于操作、导航、交互和环境感知至关重要。生物通过触觉进行被动和主动的环境交互，而人造电子皮肤虽有高分辨率，但在复杂环境交互中存在局限，如布线复杂、变形受限、对机械扰动的鲁棒性差。模仿生物纤毛状触觉器官的人造传感器，在实现高灵敏度、机械鲁棒性和全方位传感的结合上也面临挑战，且缺乏有效算法支持其在机器人领域的应用。研究成果类皮肤的平面触觉传感器已实现自适应抓握、手部操作和人机交互，但在需要主动与环境交互以及抵御较大机械扰动的任务中仍存在局限。受夜行昆虫生物触角的启发，香港科技大学申亚京教授等人推出了一种类似生物触角的电子触觉传感器，其机械鲁棒性得到增强，能够承受1800%的扭转、224%的拉伸、360°的弯曲、较大的压缩力以及穿刺。通过分段柔性设计和部分磁化处理，它实现了令人瞩目的1.76°全方位负载识别精度，比生物触角的精度高出17倍。其可扩展的即插即用功能，结合触觉感知算法，确保了能在各种机器人上无缝集成，以执行多样化的任务。我们展示了该传感器可实现跟踪偏差仅0.2毫米的无视觉导航、97%准确率的地面纹理识别，以及在蛇形表面上进行力方差为0.34牛的贴合式机器人刷涂操作。这项研究为基于主动触觉的环境感知和交互提供了宝贵的见解，有望推动机器人技术在各个领域取得进展。 相关研究以“A robust and omnidirectional-sensitive electronic antenna for tactile-induced perception”为题发表在Nature Communications期刊上。
研究亮点1. 机械鲁棒性强，能承受 1800% 扭转、224% 拉伸等极端变形；全方位敏感，方向识别精度高达 1.76° ，远超生物天线；灵敏度高，优化后相比传统设计提升约 224%。2. 基于主动触觉感知方法，结合顺序神经网络，有效处理触觉信号，准确感知环境特征，在复杂几何感知等任务中表现出色。3. 可集成到多种机器人平台，解决如无视觉导航、地面纹理识别、曲面操作等实际问题，为机器人在复杂环境中的应用提供有效支持。研究内容1. 仿生电子天线设计与原理：受夜行昆虫触觉感知机制启发，设计了电子天线系统（E-Antenna）。采用部分磁化和分段柔性策略，由弹性材料和磁性颗粒制成，通过变形改变磁场，使下方的多维磁力计读数变化来感知外部刺激，再经无线电路板实时传输信号。
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理论建模与优化：建立 E-Antenna 的理论模型，分析其变形和磁场变化关系。通过优化，采用分段柔性配置（软基底和硬天线）提高变形灵敏度，部分磁化策略在不牺牲挠度灵敏度的情况下提高磁灵敏度。实验验证优化后的设计在小负载范围内灵敏度提升约 224.24%，可靠传感范围扩大约 1.7 倍，且具有良好线性度。
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性能表征：E-Antenna 静态传感在 [-120, 120] mN 范围内呈线性，力传感多向一致性强，方向识别精度高，最大标准偏差为 1.76° 。动态响应方面，对动态刺激幅度、波形和频率响应良好，耐久性佳，经 3500 次测试仍稳定。同时，它具备出色的机械和伤口鲁棒性，能承受大扭转、拉伸、弯曲、压缩和穿刺等。
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触觉感知策略：提出主动触觉感知方法（ATPM），E-Antenna 主动与物体接触获取空间特征，利用滑动窗口构建感知观察链，输入多层顺序神经网络进行分析。在曲面感知任务中，该方法分类准确率高，平均估计误差小于 0.9°，优于人类触觉曲率辨别能力。
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机器人应用：将 E-Antenna 应用于多种机器人。在移动机器人上，实现了类似昆虫的夜间无视觉贴壁导航，跟踪偏差仅 0.2mm；赋予清洁机器人地面纹理感知能力，识别准确率达 97.33% ；帮助机械臂在曲面上进行贴合刷涂操作，涂覆覆盖率达 99.92%，且能精确控制接触力。
总结与展望研究设计的 E-Antenna 兼具被动敏感力传感和主动触觉感知能力，在机械鲁棒性、灵敏度和全方位感知方面优势明显。未来，它可应用于地形扫描、碰撞检测、柔性操作等领域，还可与其他传感器融合，提升机器人的操作和导航能力，为机器人触觉感知的发展提供了新方向，有望推动机器人在多领域的应用进步。
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