許多特殊的人類素質(zhì)之一是能夠熟練而精確地處理物體。這完全取決于我們的觸覺(jué)，在我們的指尖特別敏銳。用我們的雙手，我們能夠探索物體的形狀和組成，感受它們表面的質(zhì)地——而且這一切都不需要對(duì)它們拍手。

我們的觸覺(jué)非常精致。試著讓機(jī)器人達(dá)到類似程度的細(xì)微差別。例如，生產(chǎn)機(jī)器人能夠以令人印象深刻的靈巧性拾取和移動(dòng)物體。然而，要做到這一點(diǎn)，他們首先需要知道物體在哪里——或者他們需要額外的視覺(jué)信息來(lái)幫助定位。理想情況下，他們也需要在抓住物體之前知道物體的堅(jiān)固程度及其成分。

數(shù)百個(gè)傳感器

Johannes Weichart 有一個(gè)想法，可以讓機(jī)器人更擅長(zhǎng)處??理物體。Weichart 是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院微和納米系統(tǒng) (MNS) 小組的博士生，他開(kāi)發(fā)了一種模擬人類手指觸覺(jué)的人造皮膚。他認(rèn)為，這可以賦予機(jī)器人觸摸和感覺(jué)的能力。更重要的是，人造皮膚是柔韌的，這意味著它可以用來(lái)覆蓋柔軟和不均勻的材料——例如機(jī)器人抓手，人手指的形狀。

與人類等效物一樣，Weichart 的人造皮膚配備了大量的受體。“每平方毫米大約需要一個(gè)傳感器，”他解釋道。每個(gè)傳感器包括不同的層。其中兩個(gè)是導(dǎo)電膜和下面的電極，它們的彈簧保持在三到四微米的距離。它們之間距離的變化會(huì)導(dǎo)致電極捕獲的電信號(hào)發(fā)生變化。

精致的觸覺(jué)

連接到導(dǎo)電膜的是一個(gè)小珠子。當(dāng)對(duì)珠子施加壓力時(shí)，膜會(huì)變形——隨之而來(lái)的是傳感器測(cè)量的信號(hào)。

一半的傳感器配備了三個(gè)電極而不是一個(gè)。這不僅可以測(cè)量在任何一點(diǎn)施加到珠子上的力的大小，還可以測(cè)量施加的角度。這使皮膚具有更細(xì)致入微的觸感。“這意味著您可以通過(guò)以足夠高的頻率對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，來(lái)感受表面的質(zhì)量和質(zhì)地，并識(shí)別物體何時(shí)滑過(guò)皮膚表面，”Weichart 解釋說(shuō)。

原始數(shù)據(jù)過(guò)多

威查特博士研究的前三年證明了他的想法在原則上是有效的?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是使皮膚更加堅(jiān)固，并且至關(guān)重要的是，適合具體應(yīng)用。這仍然需要一些工作。“為了能夠在日常環(huán)境中使用人造皮膚，傳感器需要我們開(kāi)發(fā)的保護(hù)層，”Weichart 說(shuō)。“而且我們還需要從根本上簡(jiǎn)化輸出信號(hào)。所有這些原始輸入數(shù)據(jù)都會(huì)使機(jī)器人不堪重負(fù)。此外，即使是人類也不會(huì)感知每個(gè)單獨(dú)受體的輸出。我們只記錄整體印象。”

盡管前面的工作，該項(xiàng)目已經(jīng)看起來(lái)很有希望。難怪魏查特是上周頒發(fā)的 Spark 獎(jiǎng)的提名者之一。

非常規(guī)方法

Weichart 傾向于偏向左場(chǎng)方法——正如他的辦公桌很容易揭示的那樣。與他的同學(xué)們的功能性工作空間不同，他實(shí)際上被一個(gè)小型的室內(nèi)植物叢林所包圍。

他也很快偏離了他的主管 Christofer Hierold 和他的顧問(wèn) Cosmin Roman 的最初建議。他們的想法是開(kāi)發(fā)基于硅的觸摸傳感器。但 Weichart 選擇將傳感器嵌入柔性基板中。這樣，將它們安裝在柔軟和不平坦的表面上會(huì)更容易。“我的顧問(wèn)起初有點(diǎn)懷疑，”他笑著說(shuō)。“但是，回想起來(lái)，我認(rèn)為這是正確的決定!”

從聚變能到傳感器技術(shù)

最終，正是繁文縟節(jié)的問(wèn)題將 Weichart 推向了人造皮膚的方向。剛從蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院畢業(yè)并獲得機(jī)械工程學(xué)位，他首先加入了 Evatec AG 公司，在那里他從事用于涂層和蝕刻集成電路的等離子工藝。然而，在三年結(jié)束時(shí)，重新投入研究的時(shí)機(jī)似乎已經(jīng)成熟。

他在工業(yè)界的工作引發(fā)了對(duì)聚變技術(shù)的興趣。“但是，因?yàn)槲襾?lái)自列支敦士登，我很難被考慮參加國(guó)家研究計(jì)劃，”他解釋道。為了尋找參考資料，他求助于指導(dǎo)他的碩士論文的 Hierold。令他高興的是，Hierold 提議他開(kāi)始他的觸覺(jué)傳感器技術(shù)項(xiàng)目。

“事實(shí)證明，我的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)非常有價(jià)值，”Weichart 說(shuō)。“你并不總是需要重新發(fā)明輪子——事實(shí)上，建立在已知技術(shù)的基礎(chǔ)上通常會(huì)更好。” 他沒(méi)有追求學(xué)術(shù)上的完美，而是著眼于實(shí)際相關(guān)性：“這就是讓我打勾的原因。” 他說(shuō)，在將新開(kāi)發(fā)項(xiàng)目商業(yè)化時(shí)，依靠成熟的技術(shù)可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。“作為一家初創(chuàng)企業(yè)，你永遠(yuǎn)無(wú)法控制整個(gè)流程鏈。總有一些零件需要外包。”

目前，他的創(chuàng)業(yè)野心被擱置了。“我還有一年左右的博士生時(shí)間，然后我會(huì)開(kāi)始考慮下一步的行動(dòng)。” 如果他自己推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目——也許是作為先驅(qū)研究員——他需要非常仔細(xì)地考慮應(yīng)該關(guān)注哪個(gè)領(lǐng)域。他發(fā)現(xiàn)了各個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，包括醫(yī)療機(jī)器人、遠(yuǎn)程機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人和假肢。但是在這個(gè)發(fā)展階段，他不可能公正地對(duì)待所有這些選擇。

柔韌的皮膚可以安裝在任何表面上。清晰可見(jiàn)的是對(duì)傳感膜施加壓力的微小珠子。圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院/Johannes Weichart

眼睛盯著獎(jiǎng)品

在接下來(lái)的幾個(gè)月里，保持專注很可能是他面臨的最大挑戰(zhàn)。“我并不癡迷于細(xì)節(jié)，”他承認(rèn)，“而且我可以很快開(kāi)始追逐新的想法。但這很快就會(huì)失控。” 事實(shí)上，他已經(jīng)有很多事情要做：微技術(shù)、電子學(xué)、精密機(jī)械、數(shù)據(jù)處理、材料集成和人工智能模式識(shí)別——所有這些領(lǐng)域都將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)引起他的關(guān)注。

實(shí)驗(yàn)室以外的定期活動(dòng)有助于讓他的注意力集中在獎(jiǎng)品上。“我在山上騎自行車和滑雪旅行，冬天在湖里游泳，打拳擊和綜合格斗來(lái)幫助我增強(qiáng)協(xié)調(diào)性和自信心，”他說(shuō)。“這解放了我的頭腦，幫助我重新專注于手頭的工作。”