2019-07-30 08:30:01
软测量挑战的优雅解决方案

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从仓库到医院,在不同的地方使用软机器人来帮助人们移动物品,治疗病人和收集信息。随着对这些机器人的兴趣不断增长,科学家们正在开发出一种方法,为他们提供天然软组织中的传感能力。

但是,这种尝试带来了充分的挑战。大多数类型的触觉皮肤需要在人们想要检测触摸的每个位置使用电线。当涉及到大面积感应时,导线最终可能看起来像一个大型的鸟巢。

更糟糕的是,这种复杂的电气接口可能会破坏系统。 “在智能手机和其他设备等硬壳内部,电线可能很好,但如果你谈论的是织物,皮肤或其它柔软的东西,那么突然间所有这些电线都会成为故障的来源,”Carmel Majidi说,他是一名助手。卡内基梅隆大学机械工程系教授。

那么我们怎样才能避免这种麻烦呢?来自他的软机实验室的Majidi和Tess Hellebrekers开发了一种优雅的解决方案:带有单个传感元件的柔软皮肤。他们的研究结果发表在Advanced Intelligent Systems上。

这种柔软的皮肤就像一块弹性磁铁,可以放在机器人,天然皮肤或其他材料上,给人一种触感。它由装有数百万个微粒的硅橡胶组成。每个粒子都有一个北极和一个南极,形成一个磁场。当材料与另一个物体接触时,橡胶检测到移动,所有这些微粒将开始四处移动,从而改变橡胶内的内部磁场。

磁场中的这些变化将由磁力计检测,磁力计是嵌入磁性皮肤中的电子芯片。通过测量这些变化,磁力计可以推断出接触的位置和强度。换句话说,它可以估计触摸的位置以及触摸在材料表面上的压力。

“我认为力和接触是大多数皮肤感知的两个关键利益,因为我们的皮肤也能做到这一点,”Hellebrekers说,他是机器人学博士生。

更重要的是,这种皮肤不需要直接接触材料的表面来感知触点。 “磁铁的优点在于它们在空中切割,”马吉迪说。 “你不需要有物理连接来感知磁场。”

由于这个属性,磁性皮肤可以发展成为一种很好的药物工具。科学家和医生对在医学中使用软机器人更感兴趣,特别是在胃肠道(GI)内窥镜检查中。尽管它们取得了很大的进步,但仍然很难将电子设备和传感器结合在一起,因为它们往往非常笨重和刚性,这会干扰内窥镜的移动性。

而这正是Majidi团队对应用他们的新发现感到兴奋的原因。 “像这样的材料可能是机器人内窥镜检查领域的一个突破,你想要引入传感功能,但又不想使用笨重的电子设备和大量的布线,”Majidi说。

为了进一步增强磁性皮肤,Majidi的团队将研究如何检测沿着圆柱形物体的力,这与导管内窥镜相似。他们还旨在扩大皮肤的感应区域。目前,磁性皮肤可以在1.5平方厘米的连续区域内定位接触。研究人员正在研究使磁性微粒产生更大磁场或将磁力计放置在不同位置的方法。

尽管他们的项目仍处于开发阶段,但它为软机器人传感打开了一扇新的大门。 “我非常喜欢这个系统,因为我们可以在没有任何电气接口的情况下测量磁场,”Hellebrekers说。 “这使我们在设计可以更容易地集成到不同系统中的界面方面获得更多自由。”

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