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觸覺傳感技術在機器人領域得到了廣泛的應用，在物體操縱和人機交互方面取得了顯著的成就。然而，目前高分辨率觸覺皮膚的廣泛應用仍然受限于制造工藝、傳感單元的穩定性以及布線的復雜工藝。實現高分辨率和穩定的觸覺皮膚的一種方法是將一定數量的傳感器單元集成到柔性表面材料中，并利用信號處理技術來實現超分辨率傳感。

針對上述難題，浙江大學趙朋教授/張承謙博士團隊展示了一種由多向磁化柔性薄膜和非接觸式霍爾傳感器陣列組成的磁性皮膚。該傳感器的主要特點包括交替對向磁化布置、k鄰近算法和用于信號處理的卷積神經網絡（CNN）模型。通過采用神經網絡算法對多維信號進行處理，可以實現磁性皮膚的多點、多尺度感知。

該工作以“Large-area Magnetic Skin for Multi-point and Multi-scale Tactile Sensing with Super-resolution” 為題發表在npj Flexible Electronics上，浙江大學機械工程學院趙朋教授和張承謙博士為論文通訊作者，碩士生胡昊為論文第一作者。論文作者團隊成員均來自浙江大學流體動力基礎件與機電系統全國重點實驗室。

本文傳感器的基本結構如圖1a所示，主要由柔性硅膠層、磁膜層以及傳感器陣列層所組成，通過按壓導致的磁場信號變化進行信號處理可以得到按壓點位置與力度信息。本文針對大面積磁性皮膚（484 cm2）設計了16顆三軸霍爾傳感器利用四十八維磁場數據進行信息處理與智能識別。與皮膚分層結構一致，磁性皮膚也可分為外層保護層以及內部特定充磁排布的感知單元結構。磁性皮膚可以實現如圖1e-g所示的物體按壓信號識別、觸摸寫字板以及智能控制系統展示。

圖1 磁性皮膚基本結構與功能

圖2a-d展示了該磁性皮膚的工作原理,通過按壓磁膜得到的磁場變化信號進行分類后進行克里金插值法對數據集進行擴充，使用k最鄰近算法得到與按壓信號最相近的數據集進行結果輸出。

圖2 磁性皮膚按壓感知原理

團隊將該磁性皮膚與卷積神經網絡相結合實現了不同尺度的物體按壓信號識別（圖3a），通過獲取的十六個傳感器的四十八維度磁場變化信號結合卷積神經網絡模型可以進行小尺度按壓頭（有效磁場變化信號維度小于等于12個）的按壓信號識別，在小尺度按壓頭識別中團隊使用了五種不同的按壓頭進行了二十五個不同位置的按壓，最終按壓識別準確率達到了92.188%（圖3b）。同時也對大尺度按壓頭（有效磁場變化信號維度大于等于12個）進行按壓識別，團隊使用了十三種不同的大按壓頭進行了按壓識別測試，準確率可以達到100%（圖3g）。

圖3 磁性皮膚卷積神經網絡按壓物體識別

團隊使用一個綠色小球在磁性皮膚表面推動，通過按壓導致的磁膜形變形成的磁場信號變化來推出小球的按壓軌跡形成實施按壓寫字板（圖4）。

圖4 磁性皮膚觸摸寫字板展示

得益于磁性皮膚中多個小磁片的組合排列以及可以從16個磁傳感器陣列中獲得的多維磁場變化，結合卷積神經網絡信號處理方式，磁性皮膚能夠實現多點同時按壓感知（圖5）。

圖5 磁性皮膚多點按壓感知

最后，團隊使用磁性皮膚實現了智能小車控制系統。該磁性皮膚能夠實現全范圍多點、多尺度按壓感知。作為演示，成功實現了兩輛小車軌跡的實時控制，展示了系統的多功能性。與傳統的依靠四個方向按鈕（前進、后退、左轉和右轉）控制小車運動的傳統控制方法不同，我們的小車控制演示采用了軌跡映射技術。通過精確映射磁性皮膚上兩個球的位置，我們能夠控制小車的運動并實現精確的軌跡控制（圖6、視頻1）。

圖6 磁性皮膚智能小車控制

視頻1

綜上，該論文報道了一種在二維方向上可以進行超分辨感知的磁性皮膚，可以在484cm2的面積上實現連續多點多尺度感知，受益于多方向充磁排布的磁膜，四十八維度的磁場變化信號以及機器學習方法，超分辨率感知系數可以達到45.8，利用高維磁場信號，超分辨率傳感的平均誤差可以降低到1.2 mm。所提出的設計方法可以在未來進一步應用于機器人大面積觸覺傳感皮膚，使機器人能夠感知大表面積的觸覺信息，并允許可靠和安全的人機交互。

該工作是團隊近期關于磁性功能器件設計與成形制造相關研究的最新進展之一，得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、浙江省自然科學基金等項目的大力支持。

近年來，磁功能器件因其響應快、無線傳輸的特性受到了廣泛關注，團隊采用折紙工藝制備了柔性磁驅動功能器件（Nano Energy, 2021, 89, 106424.），實現了二維結構向三維結構的形態轉變以及單功能向多功能的驅動轉變。隨后，團隊利用磁化設計方法結合空間磁場分布建模，制備了大面積柔性觸覺功能器件(ACS Nano, 2022, 16 (11), 19271-19280.)，依靠單磁傳感器實現了大面積力-位置感知；團隊還從理論上證明了一種全新的三維解耦磁化結構設計，并以此為基礎開發了三維力解耦觸覺感知功能器件（Adv. Mater.,2023, 36 (11), 2310145）。團隊在磁場輔助增材制造磁功能器件方面的工作（Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (34), 2102777、Mater. Design, 2023, 112588.）也為后續高性能磁功能器件的形性一體化制造奠定了良好基礎。

研究團隊

課題組網站

https://person.zju.edu.cn/pengzhao

論文信息

發布期刊 npj Flexible Electronics

發布時間 2024年7月18日

文章標題 Large-area Magnetic Skin for Multi-point and Multi-scale Tactile Sensing with Super-resolution

（https://doi.org/10.1038/s41528-024-00325-z）

研究團隊 | 作者

高分子科技 | 來源

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