山东大学李阳/济南大学牛闳森、高嵩、徐锡金《AFM》：具有表皮-真皮仿生电子皮肤的智能机器人感觉系统，用于硬/软度材料的自主感知

摘要：近年来，随着电子皮肤和人工智能技术的不断发展，研究人员开发出了许多基于形状/纹理的智能感知架构，并将其与机器人相结合，实现了真正媲美人类触觉神经系统的机器人感知系统。众所周知，人类对未知物体的感知和认知主要依赖于形状、纹理和材料三个要素，因此基于材料的智能感知

1.研究背景

近年来，随着电子皮肤和人工智能技术的不断发展，研究人员开发出了许多基于形状/纹理的智能感知架构，并将其与机器人相结合，实现了真正媲美人类触觉神经系统的机器人感知系统。众所周知，人类对未知物体的感知和认知主要依赖于形状、纹理和材料三个要素，因此基于材料的智能感知架构在机器人感知系统中也是必不可少且不可或缺的。虽然目前已经开发出各种材料感知技术，但仍然面临重大挑战。一方面，这些技术存在局限性：超声波可以有效感知大范围，但功耗较高；而热导率虽然成本低且精度高，但测试所需的时间相对较长。另一方面，基于材料的感知架构往往会受到外界条件的影响，因此大多数只能依赖于具有良好屏蔽功能的测试平台。基于此，亟需一种极具竞争力的材料感知技术，并且希望通过对人体触觉神经系统的全面仿生，包括皮肤结构/功能、信号传输/处理、大脑思维/推理等，真正赋予机器人感知系统与人类相媲美甚至超越人类的材料感知能力。可以肯定的是，开展触觉神经系统仿生研究将成为电子皮肤和人工智能发展的关键驱动力，从而全面推动机器人感知系统向智能时代演进。

2. 研究成果

硬度/软度传感方法作为一种极具潜力的材料感知技术，目前仍面临一些局限性。例如，基于光学的传感器通过检测材料形变引起的光反射或透射的变化来精确测量硬度/软度，但它们对表面条件敏感，易受污染或表面粗糙度的影响；气压传感器利用气压传递的变化来推断硬/软度，灵敏度高，但易受温度和湿度等环境因素的影响；基于应变计的机械应变传感器通过直接检测材料形变来感测硬/软度，但在灵活性和耐用性方面可能面临挑战。鉴于此，山东大学李阳团队联合济南大学牛闳森、高嵩、徐锡金团队共同提出了一种基于互锁微圆顶结构的表皮-真皮仿生(EDB)电子皮肤，并构建了一个受人类触觉神经系统启发的机器人感觉系统，通过离电传感机制实时自主感知不同硬/软度的材料。受益于仿生互锁结构和离电效应，所提出的EDB电子皮肤在1 kPa以下表现出1558.3 kPa-1的高灵敏度、低检测限(0.01 Pa)和快速响应/恢复时间(5.6/5.6 ms)。此外，基于线性电机系统的硬/软度测试平台对不同样品进行了测试和表征，并通过COMSOL有限元分析和多层感知机(MLP)系统地验证了基于硬/软度的材料感知技术的可行性。作为进一步的概念验证，通过将EDB电子皮肤与机器人控制系统、人工神经网络以及各种功能模块(包括信号采集/传输/处理和实时显示)集成，构建了用于自主感知不同硬度/软度特性的机器人传感系统。研究证明了该系统中的机器人手指只需一次触摸即可实现对8种不同硬度/软度材料的精确自主感知，平均准确率为98.25％，并且结果可以在可视化界面中实时显示。相关工作以“Intelligent Robotic Sensory System with Epidermis-Dermis Bionic Electronic Skin for Autonomous Hardness/Softness-Based Material Perception”为题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。济南大学牛闳森副教授和山东大学李浩博士为共同第一作者，济南大学高嵩教授/徐锡金教授、山东大学李阳教授为共同通讯作者。

3.图文导读

图1受人类触觉神经系统启发的基于 EDB 电子皮肤的机器人感觉系统构造图

图2器件结构设计与表征

图3表征压力传感性能和机制

图4表征基于硬/软度的材料感知技术

图5基于材料硬/软度的自主感知智能机器人传感系统的演示

4、总结：

受人体皮肤结构及其触觉神经系统的启发，开发了一种基于互锁微圆顶结构的EDB电子皮肤，展示了其在机器人自主感知方面的潜力。通过使用COMSOL多物理场建模，系统地模拟和解释了不同硬/软度的材料与EDB电子皮肤之间的相互作用机制，为基于硬/软度的材料推断提供了理论基础。本研究最重要的贡献是进一步展示了机器人的感知系统。通过将EDB电子皮肤集成到机械手中，结合硬件模块和终端人工神经网络，该系统在简单触摸后即可准确感知多种不同硬度/柔软度的材料。可以预见，提出的机器人感觉系统不仅在自主决策方面具有广阔的应用潜力，还有望应用于医疗康复和虚拟现实，帮助残障人士恢复或增强触觉功能，并为元宇宙技术的发展提供创新解决方案。

作者简介：

牛闳森，济南大学信息科学与工程学院副教授，硕士生导师，学科带头人，山东省优青，主要研究领域：智能触觉传感器设计与制备；感知与认知系统设计与集成；先进集成电路制造工艺。近5 年已累计发表SCI检索论文20 余篇，其中以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Appl. Phys. Rev.、Adv. Sci.、InfoMat等期刊发表SCI论文18 篇，均为中科院一区，ESI 高被引 & 热点论文3 篇，授权国家发明专利5项，主持教育部高层次引才专项，山东省重点项目，博士后项目。担任多个国际学术期刊特约编辑及青年编委。

高嵩，济南大学信息科学与工程学院教授，硕士生导师。研究兴趣包括光学超表面、柔性传感器、光电忆阻器，主持国家与山东省自然科学基金项目2 项。发表SCI检索论文70 余篇，其中，以第一/通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Applied Physics Reviews、Laser & Photonics Reviews、ACS Photonics、Advanced Optical Materials、Nanophotonics、Optics Express、Optics Letters等期刊发表32 篇。是Laser & Photonics Reviews、Optica、Nano Letters、Advanced Optical Materials、Photonics Research、《激光与光电子进展》、《光学学报》等多个期刊的审稿人。

徐锡金，济南大学教授，主要从事二次电池相关领域的研究，包括电极材料的开发、电化学反应机理研究以及电池体系的设计组装等。相关工作在Nature Communication、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Science Bulletin等领域内知名SCI杂志及卓越期刊等杂志社发表研究论文200余篇，其中5 篇论文选为封面文章，高被引论文10 篇，被引13000余次，H因子65 ，授权发明专利20 余件，主持国家级省部级重点项目5项。担任中国颗粒学会第八届常务理事、第七届稀土晶体专业委员会委员、山东省物理学会常务理事山东省光物理专业委员会、中国化学快报青年编委、《稀有金属》、《Rare Metals》两刊青年编委、《中国粉体技术》第七届编委会成员。第一位身份获得山东省自然科学奖二等奖、中国颗粒学会自然科学奖二等奖、山东省留学人员回国创业奖等奖项，以及山东省优秀研究生导师、济南大学优秀教师/优秀共产党员等荣誉及称号。

李阳，山东大学集成电路学院副院长，教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优青、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者，主持国家自然科学基金项目、科技部项目、山东省重大基础研究、山东省重点研发计划项目等省部级以上项目近20 项。主要研究领域：射频集成无源电路；“传感存算一体化”芯片系统。已累计发表SCI检索论文150余篇，其中以第一作者/通讯作者在PNAS、Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章近100篇，包含封面文章12 篇，授权国家发明专利25 项，韩国发明专利11 项，出版英文学术专著2 部。