三維解耦的感知偏差小于2.8%，浙大團(tuán)隊(duì)制備觸覺(jué)磁感器件，實(shí)現(xiàn)媲美人類皮膚感知維度的感知能力
發(fā)布人：深科技
時(shí)間：2024-02-27
來(lái)源：工程師
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近日，浙江大學(xué)趙朋教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有三維力解耦感知能力的新型柔性觸覺(jué)磁感知器件，通過(guò)建立三維力-磁場(chǎng)解耦理論模型，提出柔性磁體向心磁化設(shè)計(jì)方案與折疊充磁制備方法，使該柔性感知器件兼具較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
圖｜論文作者（左起）戴煌哲碩士生、張承謙博士（來(lái)源：課題組）通過(guò)此，只需依靠單霍爾傳感器，就能針對(duì)空間三維力實(shí)現(xiàn)解耦感知。同時(shí)，他們還對(duì)傳感器進(jìn)行分體式設(shè)計(jì)，借此展示了磁場(chǎng)感知的無(wú)線傳輸特點(diǎn)。
總的來(lái)說(shuō)，和其他觸覺(jué)傳感器不同的是，該團(tuán)隊(duì)僅使用一個(gè)霍爾傳感單元，就實(shí)現(xiàn)了混合三維力的精確感知，并且無(wú)需內(nèi)嵌任何電路。
這為磁觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域帶來(lái)了重要進(jìn)展，不僅提高了器件性能，也拓寬了器件應(yīng)用范圍。
就具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)：
其一，可以將這款觸覺(jué)傳感器用于機(jī)器人的機(jī)械臂和機(jī)械手，以為其提供三維力的觸覺(jué)感知能力，從而提高人工智能的智能化程度。
同時(shí)，它能真正地為機(jī)器人提供媲美人類皮膚感知維度的感知能力。
其二，可以將這款觸覺(jué)傳感器用于人機(jī)接口，通過(guò)感知人的作用力來(lái)控制機(jī)器人。
其三，可以將這款觸覺(jué)傳感器用于密封環(huán)境下的信息感知，例如用于水下流場(chǎng)的分體式感知。
憑借磁場(chǎng)的無(wú)線傳輸，可以將傳感器在艙內(nèi)和艙外進(jìn)行分體，然后安裝感知層和霍爾傳感器，從而以無(wú)線的方式感知艙外的流場(chǎng)和流速等信息。
這不僅能極大提高水下艙體的密封性，也能促進(jìn)深海等極端環(huán)境下的智能機(jī)器人的發(fā)展。
圖 | 小船流速的分體式感知應(yīng)用（來(lái)源：Advanced Materials）在生物進(jìn)化的過(guò)程中，人類生成了許多功能感覺(jué)器官，從而能夠感知周圍環(huán)境和獵物，進(jìn)而讓生存能力得以提高。
對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，最重要的感覺(jué)之一便是對(duì)于三維機(jī)械力的觸覺(jué)感知能力，這一感知能力讓人類和部分動(dòng)物得以操作一些精細(xì)任務(wù)，從而能夠成為優(yōu)秀的捕食者。
隨著算法、材料和制造等技術(shù)的不斷進(jìn)步，不少學(xué)者仿照人體皮膚和魚(yú)類側(cè)線等生物感受器，開(kāi)發(fā)了多種人造觸覺(jué)傳感器，增加了機(jī)器人的交互性、適應(yīng)性和智能性。
目前，大多數(shù)研究專注于實(shí)現(xiàn)傳感器的高精度感知和高響應(yīng)速度。就多維感知領(lǐng)域而言，大多數(shù)研究都圍繞機(jī)械陣列結(jié)構(gòu)開(kāi)展，但是這會(huì)給設(shè)計(jì)和裝配帶來(lái)一定難度。
整體來(lái)看在感知維度上，已有傳感器存在一定的缺失，導(dǎo)致難以真正地實(shí)現(xiàn)人體皮膚的感知功能。
比如，當(dāng)傳感器面對(duì)三維力信號(hào)的時(shí)候，往往會(huì)出現(xiàn)信號(hào)干擾的問(wèn)題（即信號(hào)耦合）。
這就好像一個(gè)人能聽(tīng)懂英語(yǔ)、也能聽(tīng)懂漢語(yǔ)。但是，如果同時(shí)聽(tīng)到英語(yǔ)和漢語(yǔ)，就很難將這兩種語(yǔ)言信息進(jìn)行單獨(dú)的解析。
力傳感也是這樣，即不同方向的力會(huì)產(chǎn)生耦合信號(hào)。這時(shí)，如何將這些力信號(hào)準(zhǔn)確地分解出來(lái)？
圖 | 對(duì)環(huán)境中力信號(hào)的觸覺(jué)感知是生物的基本能力（來(lái)源：Advanced Materials）對(duì)于當(dāng)前柔性觸覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)，當(dāng)它在檢測(cè)多個(gè)方向的力時(shí)，需要在三軸方向分別布置一個(gè)力傳感器。
然后，通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的算法，將三個(gè)方向的力信號(hào)進(jìn)行解耦（即算法解耦）。當(dāng)然，也可以采用精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓三個(gè)方向上的力感知互不影響（即結(jié)構(gòu)解耦）。
但是，這兩種方案都是基于電信號(hào)的傳遞，而精細(xì)的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)會(huì)不可避免地增加傳感器復(fù)雜度，因此會(huì)增加制造難度與周期。
那么，能否繞開(kāi)這些設(shè)計(jì)，用更輕巧的方法實(shí)現(xiàn)力的感知？
因此，課題組開(kāi)始思考：能否利用磁場(chǎng)信號(hào)來(lái)對(duì)力進(jìn)行感知？也就是把一個(gè)柔性磁鐵做成力感知層，在它的下方放置一個(gè)三維磁場(chǎng)傳感器。
這時(shí)，有了磁場(chǎng)信號(hào)就能計(jì)算柔性磁鐵的在力作用之下的移動(dòng)，從而算出力的大小。
同時(shí)，基于磁場(chǎng)感知的觸覺(jué)傳感器，在物理魯棒性和多維感知上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
由于磁場(chǎng)無(wú)線傳輸?shù)拇嬖?，因此受力感知的部分無(wú)需包覆任何線纜或剛性器件，故可以擺脫對(duì)于引線的依賴，從而實(shí)現(xiàn)感知層與信號(hào)接收器的無(wú)線安置，借此大大增加傳感器的靈活性。
在柔性磁體的加持之下，受力部分是完全柔性的，具有極強(qiáng)的物理魯棒性和穩(wěn)定性。
作為一種需要頻繁接受力和接受沖擊的器件，觸覺(jué)傳感器的內(nèi)部采用既復(fù)雜、又精細(xì)的電路與結(jié)構(gòu)，因此會(huì)極大降低傳感器的魯棒性。
而對(duì)于人造觸覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)，盡管它里面的電路非常精細(xì)，但是并不會(huì)像人體末梢神經(jīng)一樣具備自修復(fù)功能。所以，目前僅具備復(fù)雜陣列與機(jī)械結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器，很難得到大范圍的應(yīng)用。
隨著磁場(chǎng)傳感器的發(fā)展，霍爾傳感器已能憑借較小的體積，來(lái)感知空間內(nèi)的磁場(chǎng)矢量。
因此，相比傳統(tǒng)的電觸覺(jué)傳感器，現(xiàn)有的霍爾傳感器可以獲取更多信息，從而具備感知多維力的可能。
此前，學(xué)界已經(jīng)提出不少多維感知的方案，然而大都通過(guò)多點(diǎn)擬合和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法實(shí)現(xiàn)。
不僅標(biāo)定過(guò)程十分復(fù)雜，而且一旦磁體的初始位置發(fā)生偏移，多維感知立馬就會(huì)失效，這極大限制了器件的批量生產(chǎn)和應(yīng)用。在此基礎(chǔ)之上，課題組開(kāi)展了本次研究。
圖 | 柔性磁體的三軸解耦效果（來(lái)源：Advanced Materials）
讓三維解耦的感知偏差均小于 2.8%此前，該課題組一直在做磁操控的相關(guān)研究，即利用外部變化的磁場(chǎng)去控制磁軟體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
那么，能否反其道而行之，利用磁軟體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，將運(yùn)動(dòng)信息反演出來(lái)？
當(dāng)時(shí)，他們只是希望在磁傳感方面有所拓展，即基于磁信號(hào)的力感知，賦予機(jī)械臂以觸覺(jué)感知的能力。
后來(lái)，他們使用數(shù)據(jù)擬合的方式實(shí)現(xiàn)了二維力的單獨(dú)感知，并在 3D 打印的機(jī)械臂上實(shí)現(xiàn)了不同尺寸物體的分揀。
該團(tuán)隊(duì)的戴煌哲同學(xué)是本次研究的主要負(fù)責(zé)人之一。當(dāng)他進(jìn)入研究生階段之后，張承謙希望培養(yǎng)他的科研素養(yǎng)。
于是，他們又在磁觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域深入挖掘，借此發(fā)現(xiàn)多維力感知是磁觸覺(jué)傳感器的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于一般感知方式來(lái)說(shuō)，它只能感知到一維電信號(hào)。而磁觸覺(jué)傳感器中的三維霍爾傳感器可以獲取三維的磁場(chǎng)信號(hào)。
同時(shí)，本次使用的磁膜磁化方式是向心對(duì)稱的，于是他們提出了三維力解耦感知的設(shè)想。
為了驗(yàn)證上述設(shè)想，起初他們打算通過(guò)建立磁膜周圍的三維磁場(chǎng)分布模型，然后反解得到三軸位移的磁場(chǎng)表達(dá)式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)三維解耦。
盡管磁場(chǎng)分布的建模比較順利，但在實(shí)操中他們發(fā)現(xiàn)相關(guān)公式極其復(fù)雜，而且反解難度也非常大。因此他們決定從磁化方式入手，尋找易于反解的磁化分布模型。
2022 年冬天，在世界杯剛剛結(jié)束的那段日子，張承謙在家里推算了 7 天之久，在嘗試多種磁化分布方法之后，他終于找到了理想的磁極分布：平面正交正弦磁化。
在這種磁極分布方式之中，對(duì)于柔性磁體內(nèi)部的不同位置來(lái)說(shuō)，它們的磁極方向、磁極大小均不相同，因此制備難度較大。
后來(lái)，他和團(tuán)隊(duì)使用折紙方式來(lái)對(duì)柔性磁體進(jìn)行磁化，從而讓柔性磁體具備向心對(duì)稱的特征。
仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：通過(guò)這種方法制備的向心對(duì)稱樣品，依舊具有極高的解耦性能，并且所制備的柔性磁體非常穩(wěn)定。
為了確保解耦性能，他們還對(duì)向心對(duì)稱的磁化分布和解耦公式進(jìn)行推導(dǎo)和優(yōu)化，讓三維解耦的感知偏差均小于 2.8%。
圖 | 折紙充磁方法（來(lái)源：Advanced Materials）而在做船只導(dǎo)航的 Demo 時(shí)，他們打算做船只的運(yùn)動(dòng)路徑感知，但是一直找不到合適的“船”。
后來(lái)，戴煌哲找到一只釣魚(yú)用的打窩船。但是，船體比較大，一時(shí)找不到試驗(yàn)場(chǎng)地。后來(lái)，他發(fā)現(xiàn)學(xué)校正好有一個(gè)廢棄的露天游泳池，于是就在這里做實(shí)驗(yàn)。
同時(shí)，盡管本次工作的研究過(guò)程比較順利，但是投稿過(guò)程非常不順。在第一輪投稿中，雖然課題組也給出了完備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，但是審稿人一直質(zhì)疑三維解耦的可行性。
而在第二輪投稿中，為了進(jìn)一步證實(shí)器件性能，他們將商用三維力傳感器與磁觸覺(jué)傳感器的性能加以直接對(duì)比，借此說(shuō)服了審稿人。
同時(shí)，他們還對(duì)解耦原理進(jìn)行了完整的梳理，更加系統(tǒng)性地闡述了三維解耦的實(shí)現(xiàn)方式。
圖 | 商用三維力傳感器與磁觸覺(jué)傳感器的性能直接對(duì)比（來(lái)源：Advanced Materials）最終，相關(guān)論文以《具有 3D 力解耦功能的分體式磁性軟觸覺(jué)傳感器》（Split-Type Magnetic Soft Tactile Sensor with 3D Force Decoupling）發(fā)在 Advanced Materials[1]。
戴煌哲是第一作者，張承謙擔(dān)任共同一作兼共同通訊，浙江大學(xué)教授趙朋擔(dān)任共同通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）后續(xù)，他們將開(kāi)展三方面的研究。
其一，目前的樣機(jī)尺寸依舊偏大，因此需要對(duì)其進(jìn)行微型化，以及開(kāi)展陣列化、像素化的感知應(yīng)用研究。
其二，目前的感知單元只能感知平動(dòng)磁膜的三軸空間位置，雖然他們?cè)谡撐难a(bǔ)充信息中，已經(jīng)討論過(guò)磁膜傾斜與磁膜扭轉(zhuǎn)對(duì)于磁膜位置感知的影響。
但是，對(duì)于磁膜本身的傾斜姿態(tài)和扭轉(zhuǎn)角度等更多運(yùn)動(dòng)維度信息的感知，也是一個(gè)值得探討的方向。
其三，針對(duì)感知單元在水下流場(chǎng)信息感知上的應(yīng)用，他們也將開(kāi)展更多研究，希望在這種感知原理的加持之下，能讓水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)于周圍流場(chǎng)信息的感知。
排版：羅以
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