上科大可打印电子皮肤登Science Robotics，赋予机器人触觉和化学感应能力-技术圈

大数据文摘转载自机器人大讲堂

全球持续几年的Covid-19新冠病毒流行加速了机器人的应用，亦令各界都更迫切的需要先进“人机界面”（human-machine interface, HMI）系统。

近日，来自上海科技大学生物医学工程学院的科研人员研发了一种由 AI 驱动、基于软电子皮肤的人机界面。该系统具有全打印、可大规模生产特点，并能够进一步推广应用于其他遥感平台。

相关论文以《用于机器人理化传感的全打印柔性人机界面》（All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing）为题于6月1日发表在 Science Robotics 上。

类似人体感知能力的自主机器人系统

这款人机传感系统名为—— M-Bot，其工作的方式是先采集人体的表面肌电信号，再使用机器学习算法对信号进行解码，最后达到远程遥控机器人的目的。

图基于完全印刷的软人机界面的人工智能驱动的 M-Bot

同时，机器手的电子皮肤可以执行接近感应及触觉和温度的感知映射，并在化学传感器的辅助下对溶液相和干相毒害化合物进行水凝胶辅助的现场采样和实时分析。

是不是很深奥？

目前，有许多有毒化合物需要严格监管，比如农药、爆炸物或化学神经毒剂，其会引发神经系统疾病、不孕症等，甚至导致人的死亡。

总而言之，利用该类机器人系统的触觉感知功能，可极大防止人类在极端和危险环境中工作时暴露于危险之中，同时也促进了可控人机交互机器人系统的开发。

在此之前，机器人传感技术主要集中在监测压力、温度等物理参数，但是能对杀虫剂、神经毒剂和传染病病原体等物质检测的化学传感器发展还不成熟。

机器人要想得到有效部署，必须能够与环境进行交互。机器人机械手在极端环境中需要触觉、化学和温度等反馈来处理任意物体，以进行准确的物理化学分析。

电子皮肤作为电子产品与人/机器人身体之间的理想接口，基于电子皮肤的多功能机器人监测系统仍存在一定局限性和难点。

大多数危险化合物的快速检测方法需要手动样品制备步骤，将化学传感器集成到基于电子皮肤的机器人系统上较为困难，同时，可扩展的低成本制造传感器贴片方法也是电子皮肤的一大难题。

此次研究团队打造的 M-Bot 传感机器人系统能够可靠地提取人体生理特征，并准确控制和接收实时用户交互反馈。

M-Bot 由两个可拉伸轻薄电子皮肤贴片组成，即 E-skin-R（与机器人皮肤接口）和 E-skin-H（与人体皮肤接口），并具有强大的理化传感能力，能大规模生产且可重构。

它可通过高速、低成本和可扩展的喷墨打印技术以及一系列定制开发的纳米材料墨水进行快速低价制备。

图 | E-skin-R 上全喷墨打印的多模态传感器阵列

定制开发的功能纳米材料油墨经过设计和优化，可针对特定危险目标分析物实现高灵敏度和选择性传感器。水凝胶涂层的印刷纳米生物传感器，允许在机器人平台上进行有效的干相化学采样和快速现场危害分析。

未来或将多行业广泛应用

这款人机界面系统对于公共卫生、安全监测和环境、农业保护等方面都有着重要的意义。

M-Bot 可以在危险性环境中进行原位威胁复合检测，比如有效地跟踪微量有害化合物，当通过智能决策算法检测到污染时，可为人们提供交互式触觉警报反馈。

日后，这款系统或可用于遥控机械手为病人进行新冠病毒测试采样，也可扩展到对 SARS-CoV-2 等致病性病菌监测上，避免直接与患者接触，从而在抗击传染病方面发挥作用。

图 M-Bot 在人机交互机器人物理化学传感中的评估

最后，研究人员表示，通过集成高密度和新型多模态传感器，该技术还能较方便地重新配置实施到众多可穿戴设备和机器人应用中，并在未来智能机器人系统设计中发挥关键作用，比如大大提高其环境感知能力。

我们也希望，这款人机界面系统未来能够提供崭新的方法，把人们无线连接到“赛博朋克”的虚拟世界中。

注：上海科技大学生物医学工程学院常任轨助理教授、智能医疗分析与柔性生物电子实验室主任于游担任第一作者，通讯作者为加州理工学院医学工程系助理教授高伟。

论文地址：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abn0495

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