一种用于自适应机器的多模态变形和温度传感技术

由于体感系统的显著特性，人类皮肤能够高精度地感知多种形式的物理刺激。然而，机器通常配备由数十个独特传感器组成的感官套件，每个传感器都被用于检测有限的刺激。新兴的高自由度人机界面和软体机器人应用因缺乏简单、一致和信息密集的传感技术而受到限制。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国耶鲁大学（Yale University）和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员组成的团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Multi-modal deformation and temperature sensing for context-sensitive machines”的论文，提出了一种能够解码全向弯曲、压缩、拉伸、温度离散变化及其组合的传感技术。这种多模态变形和温度传感器利用光在掺杂功能性染料的图案化弹性体中传播时的色度和强度变化实现其传感功能。变形和温度变化会增强光的色度和强度，从而在顺序组合的刺激模态和传感器输出之间形成一对一的映射。研究人员通过全面的光-热-机械分析研究了传感器的工作原理，并发现单个传感元件提供的信息密度可以破译丰富多样的人机交互和机器人环境交互。

为了扩展机器的感知能力，研究人员创建了ChromoSense：一种能够分辨全向弯曲、压缩、拉伸、温度离散变化以及有效的顺序应用组合的传感架构。ChromoSense是一种由染色的光学透明橡胶制成的可拉伸圆柱体，连接在刚性的3D打印接口之间（图1）。顶部的刚性接口装有一个120°传输角的白色LED。底部的刚性接口容纳了一个微型光谱传感器。

图1 ChromoSense：多模态变形和温度传感

研究人员对ChromoSense进行了各种单一模态刺激（弯曲、拉伸、压缩、温度变化）的表征，如图2所示。

图2 单一输入模态表征

为了评估ChromoSense识别多模态刺激的能力，研究人员进行了弯曲+热、拉伸+热、压缩+热、弯曲+拉伸、弯曲+拉伸+热的组合加载。结果表明ChromoSense能够区分两种甚至三种顺序组合模态（图3）。

图3 复合输入模态表征

由于ChromoSense能够稳定地识别多种组合刺激，因此在可穿戴设备、人机界面和软体机器人技术领域有着广泛的应用。首先，研究人员将ChromoSense安装在上半身辅助的柔性外骨骼（soft exosuit）上，单个传感器会提供密集的状态反馈，可用于推断佩戴者的3D姿势（图4）。

图4 基于ChromoSense的柔性外骨骼状态估计

接下来，ChromoSense被用于为能够适应环境或用户动作的3-DoF界面的实时全向弯曲进行状态估计。在触觉界面中，人们通常希望降低传感硬件的复杂性和占位面积，以保留设备带宽和几何形状。为此，研究人员将ChromoSense放置在基于折纸原理的用户界面中，将估算其表面方向所需的传感器数量从至少三个（每条腿上）减少到一个（图5）。

图5 3-DoF折纸界面末端执行器姿态估计

最后，研究人员将ChromoSense应用于可变刚度软体机械手中，以促进其自主、同步热信号处理和曲率控制（如图6所示），这在传统上需要变形传感器和单独的温度传感器才能实现。同时解耦多种刺激的能力提高了信息密度，使机械手能够自适应地响应环境。

图6 自主可变刚度机械手

综上所述，ChromoSense利用掺杂有功能性染料的弹性体的并行和串联模式来检测丰富的接触和非接触刺激——所有这些都在单个传感器中进行。这些刺激包括拉伸、压缩、全向弯曲、温度的离散变化及其有效的顺序应用组合，它们可以通过色度和强度变化来识别。单个ChromoSense即可替代传统的传感器阵列，用于可穿戴设备、人机界面、软体机器人以及未来大量其它高自由度机制的状态反馈。

利用传感器主体材料的内在光学特性，研究人员不仅能够捕获丰富多样的刺激，而且可以避免考虑导电复合传感器中可能出现的问题，例如应变速率依赖性、电迁移和Mullins效应等复杂属性。因此，ChromoSense的设计范式适用于多个尺度，并且适用于超出本研究所述的许多设计。尽管ChromoSense在同时解耦多种刺激方面存在一定的局限性，但在未来的工作中通过使用一些数据处理方法有望解决这个问题。

审核编辑：刘清