帮助机器人感觉更人性化

许多特殊的人类素质之一是能够熟练而精确地处理物体。这完全取决于我们的触觉，在我们的指尖特别敏锐。用我们的双手，我们能够探索物体的形状和组成，感受它们表面的质地——而且这一切都不需要对它们拍手。

我们的触觉非常精致。试着让机器人达到类似程度的细微差别。例如，生产机器人能够以令人印象深刻的灵巧性拾取和移动物体。然而，要做到这一点，他们首先需要知道物体在哪里——或者他们需要额外的视觉信息来帮助定位。理想情况下，他们也需要在抓住物体之前知道物体的坚固程度及其成分。

数百个传感器

Johannes Weichart 有一个想法，可以让机器人更擅长处​​理物体。Weichart 是苏黎世联邦理工学院微和纳米系统 (MNS) 小组的博士生，他开发了一种模拟人类手指触觉的人造皮肤。他认为，这可以赋予机器人触摸和感觉的能力。更重要的是，人造皮肤是柔韧的，这意味着它可以用来覆盖柔软和不均匀的材料——例如机器人抓手，人手指的形状。

与人类等效物一样，Weichart 的人造皮肤配备了大量的受体。“每平方毫米大约需要一个传感器，”他解释道。每个传感器包括不同的层。其中两个是导电膜和下面的电极，它们的弹簧保持在三到四微米的距离。它们之间距离的变化会导致电极捕获的电信号发生变化。

精致的触觉

连接到导电膜的是一个小珠子。当对珠子施加压力时，膜会变形——随之而来的是传感器测量的信号。

一半的传感器配备了三个电极而不是一个。这不仅可以测量在任何一点施加到珠子上的力的大小，还可以测量施加的角度。这使皮肤具有更细致入微的触感。“这意味着您可以通过以足够高的频率对传感器进行采样，来感受表面的质量和质地，并识别物体何时滑过皮肤表面，”Weichart 解释说。

原始数据过多

威查特博士研究的前三年证明了他的想法在原则上是有效的。现在的挑战是使皮肤更加坚固，并且至关重要的是，适合具体应用。这仍然需要一些工作。“为了能够在日常环境中使用人造皮肤，传感器需要我们开发的保护层，”Weichart 说。“而且我们还需要从根本上简化输出信号。所有这些原始输入数据都会使机器人不堪重负。此外，即使是人类也不会感知每个单独受体的输出。我们只记录整体印象。”

尽管前面的工作，该项目已经看起来很有希望。难怪魏查特是上周颁发的 Spark 奖的提名者之一。

非常规方法

Weichart 倾向于偏向左场方法——正如他的办公桌很容易揭示的那样。与他的同学们的功能性工作空间不同，他实际上被一个小型的室内植物丛林所包围。

他也很快偏离了他的主管 Christofer Hierold 和他的顾问 Cosmin Roman 的最初建议。他们的想法是开发基于硅的触摸传感器。但 Weichart 选择将传感器嵌入柔性基板中。这样，将它们安装在柔软和不平坦的表面上会更容易。“我的顾问起初有点怀疑，”他笑着说。“但是，回想起来，我认为这是正确的决定!”

从聚变能到传感器技术

最终，正是繁文缛节的问题将 Weichart 推向了人造皮肤的方向。刚从苏黎世联邦理工学院毕业并获得机械工程学位，他首先加入了 Evatec AG 公司，在那里他从事用于涂层和蚀刻集成电路的等离子工艺。然而，在三年结束时，重新投入研究的时机似乎已经成熟。

他在工业界的工作引发了对聚变技术的兴趣。“但是，因为我来自列支敦士登，我很难被考虑参加国家研究计划，”他解释道。为了寻找参考资料，他求助于指导他的硕士论文的 Hierold。令他高兴的是，Hierold 提议他开始他的触觉传感器技术项目。

“事实证明，我的行业经验非常有价值，”Weichart 说。“你并不总是需要重新发明轮子——事实上，建立在已知技术的基础上通常会更好。” 他没有追求学术上的完美，而是着眼于实际相关性：“这就是让我打勾的原因。” 他说，在将新开发项目商业化时，依靠成熟的技术可能是一个优势。“作为一家初创企业，你永远无法控制整个流程链。总有一些零件需要外包。”

目前，他的创业野心被搁置了。“我还有一年左右的博士生时间，然后我会开始考虑下一步的行动。” 如果他自己推进这个项目——也许是作为先驱研究员——他需要非常仔细地考虑应该关注哪个领域。他发现了各个领域的潜在应用，包括医疗机器人、远程机器人、仓库机器人和假肢。但是在这个发展阶段，他不可能公正地对待所有这些选择。

柔韧的皮肤可以安装在任何表面上。清晰可见的是对传感膜施加压力的微小珠子。图片来源：苏黎世联邦理工学院/Johannes Weichart

眼睛盯着奖品

在接下来的几个月里，保持专注很可能是他面临的最大挑战。“我并不痴迷于细节，”他承认，“而且我可以很快开始追逐新的想法。但这很快就会失控。” 事实上，他已经有很多事情要做：微技术、电子学、精密机械、数据处理、材料集成和人工智能模式识别——所有这些领域都将在未来一段时间内引起他的关注。

实验室以外的定期活动有助于让他的注意力集中在奖品上。“我在山上骑自行车和滑雪旅行，冬天在湖里游泳，打拳击和综合格斗来帮助我增强协调性和自信心，”他说。“这解放了我的头脑，帮助我重新专注于手头的工作。”

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