扫地机器人、工业机械手……各种各样的智能机器人已经融入我们的生活。试想一下，如果这些智能机器人可以同时实现温度、压力、湿度等多重信息的感知，可以像人一样构建对外界环境的认知，这会是一种怎样的体验？近日，东南大学电子科学与工程学院吴俊教授课题组研发了一种水驱动机械性能可调的全属性凝胶电子皮肤，可以实现多信息的集成耦合，其最新成果在国际著名学术期刊《ACS Nano》在线发表。
单个器件可感知分析多重信息
“电子皮肤包括两层含义，首先它要具备皮肤一样的特征，形态柔软、可拉伸等，同时也具备皮肤一样的功能，能够感知到温度、压力等。”吴俊介绍，目前的电子皮肤研发面临两大挑战，一是如何提升单个器件性能的稳定性，二是如何将多种信息进行集成耦合。通常这类工作仅覆盖皮肤的两种或三种属性，距离实现皮肤般丰富的刺激感知感官和理化特性还有很大差距。如果实现对人类皮肤的多样物理-化学和感官特性的高效重现，则将会成为人机界面复杂多功能仿生应用的核心技术与下一代电子皮肤的革新型成果。
基于多材料异质改性蚕丝蛋白体系，东大团队首次提出全皮肤理化（可修复、可降解、弱酸抑菌性、防火性）—电（压力、温度、湿度、应变、接触感知）复合功能属性的电子皮肤，具备类皮肤的移植重构能力。“我们想要在单个器件里既感知温度信息，又感知压力信息，还能感知剪切力等信息，这么多感知到的信息所输出的都是电信号，那么如何区分不同电信号对应的是哪一类信息正是研发的难点所在。”吴俊解释，触觉传感器被中科院列为与光刻机、芯片并列的关键“卡脖子”技术之一。其中，可与生物神经系统交互的触觉电子皮肤对智能机器人义肢、人体增强、新型人机界面至关重要。基于团队多年来在仿生多模软触觉传感器上的研究，此次研发的新型皮肤可应用于机器人皮肤以展示其在捕获多种刺激信息、重构配置所需功能方面的高度类皮肤属性。同时，其类皮肤属性具备优异的皮肤兼容性，可用于可穿戴皮肤，辅助以深度学习后还可以实现实时动态手势识别。
“多种信息在分别感知后还需要再次融合在一起，从而建立对皮肤接触物体/环境的更精准的认知，如温度信息相同，但区分接触物的坚硬度不同等。”吴俊表示，对于人来说，在处于一个陌生环境里时，我们可以借助视觉、听觉、触觉等多感官进行认知，而现有机器人往往更多的是依赖视觉，仅利用摄像头来建立对周围环境的认知，离重建机器人全感知仿生域仍有很大差距。因此，在非结构环境（即陌生环境）之下，我们需要借助这种新型电子皮肤赋予机器人多维感知能力。
人机信息智能界面，让交互无限可能
隐形眼镜实时测眼压、头戴式发箍引导盲人辨方向……除了无限接近于真实皮肤的新型电子皮肤，在东南大学显示技术研究中心，记者还见识到不少软触觉传感器的创新应用。“我们将银与单壁碳纳米管材料相结合，在隐形眼镜中植入软线圈。当使用者将这种隐形眼镜戴上后，线圈便会随着角膜的形变一并发生形变，进而测量眼内压的数值。”团队成员张弛告诉记者，这种可测量眼内压的新型隐形眼镜解决了临床上青光眼病变眼压异常波动不易捕捉的难题。使用人只需要正常佩戴这款隐形眼镜，便可以实时监测眼压，同时隐形眼镜收集到的数据也会通过蓝牙等通信方式传输到相应手机上，以便于分析和记录。
除此之外，近眼健康监测界面在未来或许可以带来全新的智能生活体验。“我们可以在隐形眼镜视网膜中心点的地方置入一个微型的显示像源。当它紧贴角膜时，我们无需聚焦，显示像源上的画面就可以自然而然地投影到视网膜上。”吴俊举例说，即使是闭着眼睛，我们也可以看电影；而当我们睁开眼睛时，视网膜上的画面还可以与周围环境画面进行叠加，类似于AR（增强现实）的效果。
“实际上，电子皮肤和隐形眼镜都属于人机信息智能界面的分支，人机信息智能界面的作用在于获取人体/机器人的信息，获取环境的信息。人机信息智能界面不仅可以精准表达‘我’的意图，同时还可以让‘我’精准感知到别人的意图。近年来大热的元宇宙，常常被人诟病只能单向的‘生活’在虚拟世界里，而借助各式各样的人机交互界面，则可以实现双向交互。”吴俊以交互手套为例解释，人们通过穿戴交互手套、做出特定的手势，向智能终端（如机器人、元宇宙环境里的某一虚拟人物等）发出指令，智能终端也会利用手套内置的传感器、制动器等，返回给使用者一定的反馈信号，此时交互手套就是一个帮助人与智能终端沟通交互的界面。吴俊展望道，在未来，触觉传感器上的进一步的研发将可以精准、灵敏的模拟人手触觉反馈，真正实现现实与虚拟世界的“触觉交互”。这也就意味着，透过手套，我们不仅能感受到虚拟世界中“握手”等简单动作，还将可以感受到风的吹拂、水的柔软、钢铁的坚硬、木头的粗糙等复杂的材质信号，打开虚拟现实深度融合的未来。
吴俊进一步展开，这种具身性的交互未来或许还可以上升到情感层面，通过视、触、嗅等多种感官的人机交互界面的多模信号融合，在虚拟世界可以与离去的亲人、异地的恋人进行沉浸式互动，也可以为心理治疗领域智慧赋能。
新华日报·交汇点记者 谢诗涵
