機器人的應用近已經從制造業(yè)擴展到非結構化和動態(tài)的日常生活場景，需要類似的觸覺感知來達到人類水平的靈活性。在人類觸覺中，本體感覺(位置和運動的動覺感覺)和皮膚感覺(從嵌入皮膚的感受器接收感覺輸入)在物體識別中起著至關重要的作用。如今，技術的進步使人類感覺的重要人工元素(例如，受體、神經和皮膚)得以創(chuàng)造，并將這些組件整合到機器人和醫(yī)療應用中。此外，通過將多模態(tài)或分布式觸覺傳感器與機器學習算法相結合，智能觸覺感知也取得了進展。然而，在傳感器內部解耦多模態(tài)信號并構建更G層次的相關觸覺表達的能力仍然不發(fā)達。

變形相關屬性為區(qū)分和識別可變形物體以及制定適當的操作策略提供了有價值的觸覺線索。確定物體的可變形性尤其具有挑戰(zhàn)性，因為它通常受到多個與變形相關的屬性的影響，如楊氏模量、邵氏硬度、柔度、剛度和延性。楊氏模量和邵氏硬度(材料柔軟度)代表材料的固有特性，而柔度或剛度描述的是對彈性變形的整體抵抗能力，這種抵抗能力受到各種因素的影響，包括尺寸、材料柔軟度或可變形結構。日常生活中的可變形物體通常由可變形的材料和結構(如氣球)或不同柔軟度的不同材料(如橙子)組合而成。因此，在現實世界的非結構化環(huán)境中，實現機器人對可變形物體的柔軟度感知需要多種變形屬性的協(xié)同考慮。

許多基于不同轉導原理的人工觸覺傳感器已經被提出來感知與變形相關的屬性。然而，這些方法大多需要預先設定凈力或位移，無法實現自適應感知。示例包括軟壓阻/電容式傳感器陣列，通過開口結構和保形壓電薄膜的內窺鏡觸覺傳感器，通過應變片的電子須，通過壓阻式位移傳感器的氣動驅動等。這些方法太局限，不能推廣到機器人非結構化抓取和操作任務中。在自適應方法中，楊氏模量估計可以通過單個感官信號來實現，例如Chen的團隊在尖端設計了一個自鎖機械元件來量化楊氏模量，但該裝置缺乏連續(xù)的力傳感能力。該裝置隨后通過在壓力傳感器上加入一個突出物來簡化，這導致了其定量能力和材料柔軟度測量范圍的妥協(xié)。此外，基于視覺的觸覺傳感器(如Gelsight)通過深度學習實現材料柔軟度估計，而無需單d的力傳感器。然而，將光學系統(tǒng)集成到靈巧的機械臂中是具有挑戰(zhàn)性的，它嚴重依賴于復雜的深度學習算法。結合運動感覺和皮膚感覺的雙峰觸覺傳感器也被開發(fā)出來，用于估計在放松控制下可變形物體的順應性。例如，通過可拉伸光波導的柔軟假手被用來自適應地感受海綿和丙烯酸的順應性。Bao的團隊報道了一種雙峰膜柔韌性傳感器，該傳感器具有開口結構，可以同時以解耦的方式測量觸摸材料的表面變形和施加的壓力，但缺乏定量分配。然而，他們的傳感單元或裝置不夠小和剛性，不能將觸摸對象視為彈性半無限體。

因此，根據不完全的動覺和皮膚線索推斷出的材料柔軟度隨著物體的大小而變化。迄今為止，人工觸覺傳感器的研究仍處于起步階段，其重點是實現機器人對物體可變形性的自適應和定量感知。其中一個核心挑戰(zhàn)是缺乏能夠同時測量接觸壓力和提供材料柔軟度定量信息的觸覺傳感器，這使得傳感器能夠感知多個相關的變形屬性。

1. 本工作提出了一種觸覺傳感器的創(chuàng)新設計，該傳感器將兩個緩慢適應的機械感受器的能力集成在軟介質中，允許對接觸界面內特定位置的局部壓力和應變進行自解耦傳感。

2. 通過利用這些局部皮膚線索，傳感器可以準確且自適應地測量物體的材料柔軟度，適應厚度和施加力的變化。

3. 當與機器人的動覺提示相結合時，傳感器可以通過兩個相關變形屬性的協(xié)同作用來增強觸覺表達，包括材料柔軟度和順應性。

仿生SA機械感受器的結構與傳感原理。

a) (i)肖氏硬度測量方法示意圖，采用剛性小壓頭，以確保力-位移曲線能夠抵抗物體尺寸的干擾。

(ii)配有柔軟人造皮膚的機器人手指示意圖，在與物體互動時可以實現大的接觸面積。值得注意的是，物體的變形也受其尺寸的影響。因此，力-位移曲線表現出對材料柔軟度和物體尺寸的綜合依賴。

b)人體按壓可變形物體時的動覺和皮膚信號。

c)仿生SA機械感受器的多層結構能夠檢測皮膚信號，包括接觸壓力和側應變。

d)測量物體材料柔軟度和柔順度的傳感原理。

e)順應性(基于壓痕位移和接觸壓力)和f)材料柔軟度感知(基于側向應變和接觸壓力)的示例輸出圖。

僅僅依靠柔度不足以充分理解材料柔軟度和尺寸因素(如厚度)對物體變形能力的貢獻。順應性和材料柔軟性的結合提供了對材料特性和物體尺寸之間復雜相互作用的全面理解，共同塑造了可變形性特征。

BSM傳感器的有限元模型。

a) (i) BSM傳感器與可變形物體接觸的示意圖，其中施加的壓力通過剛性壓頭傳遞。(ii)有限元模擬結果顯示了典型BSM傳感器(r = 10 mm)在施加10 kPa壓力下接觸厚度為15 mm、半徑為30 mm的圓柱形硅膠樣品(Ecoflex 0010)時的變形輪廓圖。

b) (i) BSM傳感器與被測物體接觸面壓力等G線圖(Ecoflex 0010)， (ii)接觸不同厚度15mm物體時壓力沿徑向分布圖。

c) (i) SAⅡ傳感層與被測物體(Ecoflex 0010)側應變等G線圖，(ii)接觸不同厚度15mm物體時壓力沿徑向分布圖。在感知場中，接觸壓力響應與側向應變響應呈現相反的變化趨勢(rp/r < 0.5)。