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2021年2月24日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授宋超阳团队，联合香港大学计算机科学系助理教授潘佳与香港城市大学生物医学工程系助理教授申亚京课题组，提出了一种基于磁性薄膜的触觉传感器，结合深度学习算法，实现了机器人触觉传感器的自解耦和超分辨率，为仿人类皮肤的触觉感知提供了新的思路。研究成果以“Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with forceself-decoupling（自解耦的超分辨率柔性磁感皮肤）”为题，发表在《Science Robotics》（科学：机器人学）杂志上。
触觉传感器可以赋予机器人通过接触来感知外部环境并与之交互的能力，在机器人灵巧操作、人机共融、模式识别等领域有着重要的应用。人类的皮肤不仅可以感知力的大小和方向（自解耦），并且对外界刺激的定位精度可以超越触觉感受器间的平均间距（超分辨率），因此人的双手可以完成非常精巧和复杂的任务，比如抓取易碎物品，进行灵巧操作，识别纹理，阅读盲文等，也是面向仿生机器人灵巧操控问题的研究难点。
本文提出的柔性磁感触觉传感器的核心由一层经单面多级正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷电路板上的霍尔传感器组成。磁膜和霍尔传感器之间可以填充不同厚度和弹性的硅胶，用来调节传感器的灵敏度和量程。当有外力施加于磁膜上时，霍尔传感器将测量到由磁膜变形所引起的磁场变化，进而可以测量出所施加外力的大小和方向。这种单面多极的正弦磁化方法在学术上被称为Halbach Array（Halbach阵列）。其一个重要特点就是可以在削弱一侧磁场的同时能够极大的加强另一侧磁场。该技术不仅在粒子加速器、磁悬浮列车、电磁炮等前沿领域有着重要的应用，在我们日常生活中使用的冰箱贴中也采用了类似技术。
研究人员发现解耦后的磁性皮肤可以提供独立的正压力和切向力的测量（无串扰耦合），因此可以给机器人提供更精确的力反馈。比如将磁性皮肤贴在机械手上进行自适应抓取鸡蛋的应用中，开始时，机械手未进行抓取，夹持力Fz和载荷引起的切向力Fx均为零，当机械手夹住鸡蛋时（t1），夹持力Fz迅速增大，直至鸡蛋被提起时（t2），由于鸡蛋的重力作用，切向力Fx迅速增大，此时施加一个外部干扰，用手往下拽鸡蛋（t3），切向力开始逐渐增大，为了不使鸡蛋滑落，机械手自动增大夹持力，使Fx/Fz的比值始终小于滑动边界（合力保持在摩擦锥以内）。当撤去外部干扰后（t4），机械手开始自动松开夹爪，以免鸡蛋被夹碎，从而实现了在有外部干扰时，自适应抓取（易碎）物体的安全操作。作为对比实验，当没有磁性皮肤提供的力反馈时，由于夹持力不足以克服外部干扰，鸡蛋被拽下（t8）。在本文的另一个实验中，展示了如何利用磁性皮肤的力反馈进行自适应调节机械手的夹紧力，以稳定的夹持一个正在注水的水瓶。当往水瓶中不断注入液体时，切向力Fx逐渐增大，水瓶有从机械手中滑落的趋势（Fx/Fz的比值接近滑动边界），此时机械手自动增大了夹持力Fz，从而避免了水瓶的滑落，任务成功。作为对比实验，当没有磁性皮肤提供的力反馈时，水瓶在注水的过程中从手中滑落，任务失败。
南方科技大学访问学生、香港城市大学博士研究生闫友璨是本文的第一作者，本科毕业于华北电力大学，博士研究生导师为香港城市大学助理教授申亚京以及香港大学助理教授潘佳，目前在南方科技大学助理教授宋超阳课题组进行访学交流，并在访问期间完成本文的操控实验、数据采集和论文撰写等多方面工作，南方科大仿生设计与学习实验室为该课题提供了较为丰富的仪器设备、实验环境、技术支持以及论文指导。本文的其他合作作者包括香港城市大学助理教授杨政保、博士研究生胡哲，以及美国卡内基梅隆大学助理教授Yuan Wenzheng。
宋超阳，南方科技大学机械与能源工程系助理教授、计算机科学与工程系客座助理教授、博士研究生导师、深圳市海外高层次人才（孔雀计划），主要研究面向特种应用的软体机器人、机器人学习、设计科学、以及可重构机构学。宋教授本科毕业于同济大学，博士毕业于新加坡南洋理工大学，期间师从陈焱、陈义明教授，毕业后曾任美国麻省理工学院博士后、新加坡科技设计大学博士后、澳大利亚莫纳什大学助理教授等职务，加入南方科大后组建仿生设计与学习实验室（BionicDL Lab），并担任“南方科技大学-熵智科技物流机器人联合实验室”主任。目前课题组有博士研究生4名、硕士研究生4名、研究助理2名以及来自香港大学、香港城市大学、南加州大学等多所国内外高校的访问学生，积极开展面向基于刚柔混合的仿生机构与特种机器人设计、面向环境智能的软体机器人学习与灵巧操控算法、以及面向新工科的高等教育国际合作研究，与香港大学、香港城市大学、新加坡南洋理工大学、美国卡内基梅隆大学、美国麻省理工学院、芬兰奥托大学等诸多院校保持良好的国际科研与教育合作。欢迎优秀人才加入宋超阳助理教授课题组，有意向者请邮件联系songcy@sustech.edu.cn。
论文链接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eabc8801
招聘信息：https://ancorasir.com/?p=2776
