新加坡大学研发首个拥有像人一样的触感智能泡沫

随着人工智能技术被广泛应用，虽然机器人越来越智能化，但是却不能像人类一样拥有灵敏的触觉和感知环境的能力。

近日，新加坡国立大学（NUS）的研究人员发明了一种智能泡沫，它不仅拥有像人一样的触感，还提供了更多的人机互动可能性。

2020 年 11 月 12 日，相关研究以《人工支配的自修复泡沫作为合成压电阻抗传感器外壳》（“Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins” 为题发表在《自然・通讯》上。

这种新材料被叫做 AiFoam，也叫 “人工神经支配泡沫 。据了解，AiFoam 质地柔软如海绵。相对其他传统材料，它拥有 “多面手” 特质，不仅拥有和人类相同的触觉，还可以在有距离前提下 “感知” 附近的物体。

最神奇的是，这种智能泡沫在表面受损的情况下，能进行自我修复，这为机器人的智能化和互动性提供了更多可能。

这种突破性的材料的研发历时两年，由 NUS 材料科学与工程系助理教授本杰明・泰（Benjamin Tee）和健康创新与技术研究所（iHealthtech）团队开发。

本杰明・泰在接受媒体采访时表示，“我们希望证明在机器人能够复制人类的触觉，这为人与机器之间的交互作用开辟了新的范式。”

有触觉、能感知、受损会自动修复的“多面手”

触感是人类独特的感官能力，能使人们在不熟悉的环境中，也能有效地进行物体操作。如果机器人也具备同样的功能，机器人的动作就可以变得更加平稳、安全、可预测。

以清洁机器人和服务员机器人等机器为例，如果它们从远处就可以确认识别人的位置，并使用人工智能信息推测人类的意图，那么它们可以更快地做出反应，并且在拥挤的地方也能避免与人发生碰撞。

尽管目前，一些先进的电子皮肤在直接与物体接触时可以 “感知” 到压力，但尚未有相关研究成果显示有材料能感知附近物体的运动方向，因为这在复杂的感知能力技术上有更高的要求。NUS 团队决定针对上述问题进行研究，以破解此技术难题。

像 “变魔术” 一样具有柔软可塑性

据研究团队介绍，“AiFoam 是一种高弹性聚合物，它通过将类似于聚四氟乙烯的物质（称为氟聚合物）与可降低表面张力的表面活性剂混合而制成的。” 实验结果发现，当把这种材料分成几块时，很容易再融合成一体。为使泡沫能感应人手指等电容性物体的存在，该研究团队在材料中注入了一种微小的金属颗粒。

这种泡沫与相对于传统的薄片材料，更具有敏感性。研究人员还发现，泡沫的柔软程度也具有可塑性，他们通过控制空气与材料的比例，可以像 “变魔术” 一样寻找最适合的比例。与其他常见的电子皮肤材料（例如有机硅）相比，该泡沫材料能够更好地感知人的存在。

实际上，AiFoam 可以从几厘米以外检测到人类手指的存在。该技术的核心在于材料拥有 “特殊配方”，使其能更有效地检测人的存在，这与其他类似的传感器有本质区别。传感器的感知因其利用光线和反射原理，经常导致较高的误报率，而 AiFoam 则不是这样的情况。

那么，智能泡沫又是如何做到复制人类皮肤中敏感的神经末梢呢？研究团队表示，“在泡沫表面下方嵌入细小的圆柱状电极，它们不仅能检测改变力的大小，还可以控制力的方向。这将使机器人能更好地理解人的意图，或者提前预判接触的物体即将滑落，从而使它们可以更快、更适当地做出反应。”

有望实现更多人机交互可能性

此外，泡沫中的表面活性剂也有神奇的作用，不仅能在被切割后自动修复，还能被拉伸两倍以上（230％）。据研究人员介绍，“在四天内将其加热至 70 摄氏度，该材料愈合了大约 70％，并且仍可以拉伸到其长度的几乎两倍（180％）。”

据了解，NUS 团队希望将 AiFoam 应用于机器人和假肢等领域，以实现人机之间更多交互的可能性。

研究人员表示，“ 通过使用特殊配方的泡沫，我们可以轻松地感知压力和接近度。AiFoam 的自我修复特性以及对接触力的敏感性，将使机器人能更好地判断人类的意图。我们将打造出新一代的机器人，以能对环境变化做出快速、有效的反应。”

参考：

https://news.nus.edu.sg/nus-researchers-create-aifoam-for-robots-to-interact-intelligently-with-their-surroundings/doi.org/10.1038/s41467-020-19531-0

编辑：jq