德国慕尼黑工业大学（Technische Universität München）的研究人员最近开发了一种可以帮助机器人重现人类触觉的电子皮肤（Electronic Skin，e-Skin）。这个发布在多学科数字出版机构（Multidisciplinary Digital Publishing Institute，MDPI）旗下《传感器》期刊上的电子皮肤，比其他现有电子皮肤所需的运算能力要低得多，因此可以应用于机器人机体上的更大部分。
可以感知轻触、压力、温度与振动并附着在任何平面与曲面的电子人造皮肤
“我们开发电子皮肤的主要动机来自于大自然，并集中在我们人类如何与周围环境交互的问题上，”研究员Florian Bergner表示：“虽然人类主要依赖视觉，但只要涉及人与人之间的交互式接触，触觉便扮演非常重要的角色。我们相信，赋给机器人触觉可以扩大机器人与人之间的交互范围，进而使机器人更具协作性、安全性与有效性。”
Bergner和由Gordon Cheng带领的其他研究人员已经开发电子皮肤大约十年的时间。最初，他们试图实现具有与人类皮肤相似的多模态传感能力的电子皮肤系统。换句话说，他们试图创建一种可以感知轻触、压力、温度和振动的人造皮肤，同时有效地将其感知分布在发生触觉相互作用的不同位置上。
“人类不仅可以区别不同种类的触碰，而且可以识别触碰发生的位置，”Bergner表示：“除了复制这种能力之外，电子皮肤系统还应承受接触上的身体压力，具备可扩展性，并轻松地支持集成。”
Bergner及其同事开发的新型电子皮肤系统是由六边形传感器模块所组成的。这每个模块的尺寸约为2欧元硬币的大小。当这些模块连接在一起时，就形成了有弹性，并可附着在各种平面与曲面上的人造皮肤。
不需大量运算能力，通过标准计算机便能完成大量触碰信息的处理需求
迄今为止，可以应用于大表面积的电子皮肤，其在每一次侦测到的触碰信息量方面存在明显的局限性。另一方面，Bergner及其同事开发的电子皮肤系统保留了先进的传感能力，而不需要大量的运算能力。
“传统信息处理对运算能力的要求高得令人无法接受，而且会有高功耗、高信息传输速率、高信息丢失与延迟的缺点，”Bergner表示：“另一方面，人类可以毫不费力地处理大约500万个皮肤感受器所收集的触觉信息。在我们最近的研究中，我们尝试问自己：人类的触觉是如何做到这一点的？我们如何利用神经科学的发现来减轻电子皮肤系统的局限性？”
人类皮肤上的感受器并不会持续地向大脑发送信息，而往往会保持不活动的状态，直到它们侦测到触碰压力、温度或振动的变化为止。当它们侦测到变化时，这些感受器就会触发刺波（Spike），这些刺波会经由神经纤维到达大脑。上述过程的结果是，人类皮肤只给大脑提供与触碰有关的新信息。Bergner及其同事深入研究了这个生物过程，并试图在其电子皮肤系统中进行复制。
“在我们的系统中，每个人造皮肤细胞都会监控自身的传感器来侦测变化，”Bergner解释指出：“当他们侦测到足够大的变化时，皮肤细胞就会向计算机回应新的信息，如果没有，它们会进入休眠模式。此举大幅降低了对运算能力的要求。”
Bergner及其同事所开发的电子皮肤系统极具可扩展性、高效率与弹性。最初的测试显示，它可以在不需要借助定制化硬件，只使用标准计算机的情况下，处理大面积系统中与触碰相关的信息流。
电子皮肤并适用于触敏式义肢、智能对象或智能感应服应用
Bergner及其同事成功将他们的电子皮肤应用于拥有人类大小机身的H1机器人上。他们使用1,260个皮肤细胞覆盖整个机体，其中包括10,000多个传感器，这算是前所未有的创举。
“H1机器人只通过内置系统便能进行自动操作，”Bergner解释表示：“拜我们新颖性科技驱动（Novelty-driven）之电子皮肤的好处之赐，让皮肤细胞覆盖机器人的构想成为可能，如此一来也大幅减少大约80%的运算负荷。更传统的电子皮肤会使H1系统的负载完全饱和，进而导致延迟乃至大约25%的连续信息丢失。”
未来，高效率电子皮肤可以为各种机器人提供增强的触碰功能。除了增进人机交互的安全性（这在工业或医疗看护环境中特别有价值）外，电子皮肤细胞还可以用于开发新的技术工具，例如触敏式义肢、智能对象或智能感应服。
“在解决了处理大面积电子皮肤触觉信息的挑战之后，我们现在可以着眼于缩小皮肤细胞的尺寸，进而达到更高的传感密度，”Bergner表示：“具有大面积电子皮肤的H1，现在可供我们研究人机交互和全身控制。另一个有趣的研究方向可能是研究新颖性科技驱动的触觉信息，以增强感知和控制算法。”
（首图来源：视频截屏）