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在本研究中，作者受自然皮膚感知能力的啟發(fā)，提出了一種新型的內在柔性機器人傳感器，其四重感知功能集成于單一設備中，包括空間接近感知、熱接近感知、熱觸覺感知和機械力感知。憑借這種多功能性，機械和熱刺激均可通過接觸和非接觸模式得到良好解析。所制造的傳感器具有良好的柔韌性和內在柔軟性，使其能夠符合復雜的三維曲面。更重要的是，所有機器人傳感器的材料均可完全回收再利用，以構建新一批傳感器，顯著緩解了資源消耗問題及電子廢物帶來的環(huán)境危害。作為概念驗證示范，通過將機器人傳感器集成到柔性抓手和機器人手臂上，構建了一個閉環(huán)且可靠的人機交互系統(tǒng)。通過利用四重感知功能，成功展示了多種可靠的人機交互場景（例如，人機交互、物體感知與分類、床邊臨床護理等）。本研究為全面的機器人感知提供了一個可行且多樣化的平臺。

圖文簡介

圖1. 機器人傳感器的設計理念及典型響應特性。(a) 具備四重感知功能的機器人傳感器的設計理念與結構布局，用于實現(xiàn)可靠的人機交互。(i) 示意圖展示具有多樣感受受體的天然皮膚的感知能力，用于物體感知與操作。 (ii) 機器人傳感器的組成與結構布局。 (iii) 機器人傳感器的四重感知功能，包括熱接近感知、熱觸感知、空間接近感知和機械力感知。(b) 示意圖展示連續(xù)的熱接近與熱觸感知過程及其典型響應行為。 (c) 示意圖展示連續(xù)的空間接近與機械力感知過程及其典型響應行為。 (d) 數(shù)字圖片展示所制備的機器人傳感器的柔韌性與柔軟性。 (e) 示意圖說明機器人傳感器的可回收性。

圖2. 軟體機器人傳感器的制備與表征。(a) 示意圖，展示軟體機器人傳感器的三維結構布局及其二維截面視圖。(b) 軟體機器人傳感器的實物照片。(c) 軟體機器人傳感器中關鍵組分（即聚乙烯醇PVA、離子液體IL和熱塑性聚氨酯ES-PU）的分子組成與結構。(d, e) 自合成的ES-PU材料的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）及凝膠滲透色譜（GPC）譜圖。(f) 光學顯微鏡圖像，顯示軟體機器人傳感器的橫截面形貌。(g) 光學顯微鏡圖像，展示微結構導電層頂部工程化金字塔圖案。(h, i) TPU層、ES-PU層及PVA/IL層的應力-應變曲線與楊氏模量，采用常規(guī)的PET和PI薄膜作為對比。(j, k) 數(shù)字照片，展示與三維彎曲及動態(tài)變化的軟抓手相貼合的軟體機器人傳感器。

圖3. 機器人傳感器的感知機制及性能特征。(a) 示意圖展示了基于熱輻射效應的熱感知機制。 (b, c) 傳感器對接近冷物體（0 °C）和熱物體（65 °C）的響應行為及標定曲線。 (d) 傳感器對從遠處逐漸接近并移開溫暖手掌（距離傳感器1厘米）的響應行為。 (e) 示意圖展示了基于熱傳導效應的熱觸覺感知機制。 (f) 傳感器與不同溫度物體接觸時的標定曲線。 (g) 傳感器在熱觸覺感知中的最低溫度檢測分辨率。 (h) 傳感器對不同穩(wěn)定環(huán)境溫度的響應信號。 (i) 示意圖展示了基于電場耦合效應的空間接近感知機制。 (j) 傳感器在手逐漸接近后又移開的響應行為。 (k) 傳感器的空間接近感知標定曲線。 (l) 傳感器在不同距離下手部反復接近時的信號變化。 (m) 示意圖展示了基于電容參數(shù)調制的機械力感知機制。 (n) 傳感器的機械力感知標定曲線。 (o) 傳感器對不同大小穩(wěn)定機械力的響應行為。 (p) 傳感器在5000次加載-卸載測試中的重復性和可靠性。

圖4. 機器人傳感器在與人體碰撞預警及人工智能輔助物體識別中的應用。(a) 示意圖，顯示集成機器人傳感器的可編程機器人臂系統(tǒng)，用于人機交互（HRI）。(b) 展示傳感器集成在夾持器指端（用于物體操作監(jiān)測）和夾持器底座（用于危險碰撞預警）上的情況。(c) 當人手逐漸接近機器人臂并在臨界距離1厘米處停止時，傳感器的響應信號。(d) 軟夾持器在抓取、夾持及釋放黃瓜過程中的傳感器響應行為。(e)用于物體識別的卷積神經網絡（CNN）模型結構示意圖。(f) 用于測試的20個不同日常物體的數(shù)字圖片。(g) 顯示20個物體識別準確率的混淆矩陣。

圖5. 機器人傳感器在熱接近感知、熱觸覺感知和人機交互系統(tǒng)反饋控制中的應用。(a, b) 示意圖和框圖展示了閉環(huán)控制機器人系統(tǒng)的主要組成部分和工作原理，包括傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸、傳感器數(shù)據(jù)處理與可視化、機器人臂運動的閉環(huán)控制以及氣動夾具的閉環(huán)控制功能。(c) 六個不同溫度（?40、0、25、50、75、100 °C）的水杯的光學和紅外圖像。(d) 照片顯示軟夾具以最小距離1厘米接近物體進行熱接近感知。(e) 在接近六個不同溫度水杯時傳感器的響應信號。具有特定危險溫度的物體（?40 °C在深藍區(qū)域和100 °C在深橙區(qū)域）可以被識別，軟夾具在后續(xù)過程中不會抓取這些危險物體。(f) 照片顯示軟夾具抓取目標物體。(g–j) 在重復抓取四個安全溫度物體（0、25、50和75 °C）50次時的傳感器響應信號。(k) 示意圖展示機器人系統(tǒng)在床邊臨床護理中的潛在應用場景。(l, m) 照片顯示配備作者傳感器的機器人系統(tǒng)，從四個不同溫度的水杯中識別并取用適合患者的水（例如，25 °C）。