英國(guó)研究人員近日在《 Microsystems & Nanoengineering》期刊發(fā)表成果，提出一種名為Micro-VBTS的基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)引入精密加工的微溝槽結(jié)構(gòu)作為光學(xué)調(diào)制器，并配合僅含單層卷積層的輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功解決了傳統(tǒng)視覺(jué)觸覺(jué)傳感器在靈敏度、空間分辨率與計(jì)算負(fù)載之間的平衡難題。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器利用普通網(wǎng)絡(luò)攝像頭即可檢測(cè)到低于5毫牛（mN）的微弱作用力，單點(diǎn)空間分辨率達(dá)到毫米級(jí)，位置預(yù)測(cè)的平均誤差低于0.05毫米。這一突破為軟體機(jī)器人、假肢及人機(jī)交互設(shè)備提供了低成本、高魯棒性的感知解決方案。

現(xiàn)有軟體觸覺(jué)傳感技術(shù)主要面臨靈敏度不足、分辨率低以及大規(guī)模陣列帶來(lái)的電氣串?dāng)_和高昂成本等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電容式或壓阻式傳感器依賴嵌入電極和導(dǎo)電線路，易受機(jī)械疲勞和電磁干擾影響，且布線復(fù)雜。相比之下，基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感器（VBTS）利用光學(xué)可讀彈性體層與獨(dú)立成像組件，不僅消除了電子元件間的直接機(jī)械磨損和電氣干擾，還簡(jiǎn)化了大面積觸覺(jué)感知的集成難度。然而，現(xiàn)有VBTS技術(shù)往往需要復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行圖像處理，導(dǎo)致計(jì)算資源消耗巨大，難以在緊湊型邊緣設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

Micro-VBTS系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于傳感器本體的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由透明聚二甲基硅氧烷（PDMS）層和黑色石墨/PDMS復(fù)合層組成，通過(guò)紫外激光切割技術(shù)在復(fù)合層中加工出5×5的十字形微溝槽陣列。相鄰十字中心間距為2毫米，每個(gè)十字尺寸為1.5毫米×1.5毫米，溝槽深度約為傳感器薄膜厚度的一半（約523微米）。當(dāng)外力作用于透明側(cè)時(shí)，黑色層的微溝槽會(huì)因變形而張開(kāi)，由于溝槽具有高深寬比，這種微小的機(jī)械變形被顯著放大為清晰的光學(xué)特征變化。即使僅施加30毫牛的微小力，圖像中也能觀察到明顯的特征差異，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的視覺(jué)響應(yīng)。

在數(shù)據(jù)處理方面，研究團(tuán)隊(duì)摒棄了參數(shù)量龐大的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)而采用僅含一個(gè)卷積層的超輕量級(jí)模型。該模型能夠直接從增強(qiáng)后的圖像特征中提取接觸位置、位移和施加力的信息。理論力學(xué)分析與有限元仿真（FEA）結(jié)果一致表明，微溝槽的變形模式呈徑向?qū)ΨQ分布，接觸點(diǎn)附近的溝槽張開(kāi)幅度Zui大，從而產(chǎn)生Zui強(qiáng)的光通量變化。這種“硬件結(jié)構(gòu)增強(qiáng)+輕量級(jí)AI推理”的協(xié)同設(shè)計(jì)策略，不僅將計(jì)算成本大幅降低，還確保了系統(tǒng)在復(fù)雜人機(jī)環(huán)境中的可靠運(yùn)行。

光學(xué)調(diào)制原理與多軸感知潛力

Micro-VBTS的工作機(jī)制依賴于微結(jié)構(gòu)對(duì)光傳輸?shù)恼{(diào)制作用。在未受力狀態(tài)下，微溝槽幾乎閉合，光線透過(guò)率極低；受力后，溝槽張開(kāi)形成高對(duì)比度的視覺(jué)特征。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)基于標(biāo)記點(diǎn)（如GelForce或TacTip）所需的復(fù)雜光學(xué)追蹤系統(tǒng)，也無(wú)需像早期GelSight那樣依賴反射膜上的標(biāo)記來(lái)增強(qiáng)力矩測(cè)量能力。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了溝槽寬度隨外力變化的擴(kuò)展規(guī)律，并驗(yàn)證了該模型與COMSOL仿真結(jié)果的高度吻合。

盡管當(dāng)前設(shè)計(jì)主要聚焦于法向力的檢測(cè)，但其結(jié)構(gòu)具備向多軸力感知擴(kuò)展的理論潛力。仿真結(jié)果顯示，在45度斜向加載下，微溝槽會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱加寬和差分橫向運(yùn)動(dòng)，這些光學(xué)線索可通過(guò)視覺(jué)管道用于剪切力方向和幅度的估算。雖然目前尚未納入平面運(yùn)動(dòng)和剪切力追蹤功能，但通過(guò)增加校準(zhǔn)網(wǎng)格密度或采用更高分辨率的相機(jī)，可進(jìn)一步提升定位精度。此外，不同幾何形狀（如圓形、方形或金字塔陣列）及材料彈性參數(shù)的調(diào)整，也為優(yōu)化特定應(yīng)用場(chǎng)景下的空間分辨率和力靈敏度提供了廣闊的設(shè)計(jì)空間。

采購(gòu)選型與系統(tǒng)集成關(guān)注點(diǎn)

對(duì)于從事軟體機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)設(shè)備或精密裝配自動(dòng)化領(lǐng)域的中國(guó)工程師而言，Micro-VBTS的技術(shù)路線提供了重要的選型參考。首先，該傳感器采用光學(xué)讀出設(shè)計(jì)，天然免疫電磁干擾（EMI）和電氣串?dāng)_，特別適合在強(qiáng)電磁環(huán)境或與高密度電子元件共存的場(chǎng)景中使用。其次，其基于普通網(wǎng)絡(luò)攝像頭的光學(xué)讀取方案顯著降低了系統(tǒng)成本，避免了專用高分辨率工業(yè)相機(jī)的高昂投入，有利于大規(guī)模部署。

在系統(tǒng)集成方面，需注意以下幾點(diǎn)：一是傳感器本體采用柔性PDMS材料，具備良好的生物相容性和機(jī)械順應(yīng)性，可直接貼合于不規(guī)則曲面或軟體執(zhí)行器表面；二是雖然當(dāng)前模型僅支持法向力高精度測(cè)量，但若需實(shí)現(xiàn)六自由度力感知，需結(jié)合多視角相機(jī)或引入剪切力校準(zhǔn)算法；三是微溝槽結(jié)構(gòu)的加工精度直接影響靈敏度，建議在實(shí)際應(yīng)用中關(guān)注激光切割工藝的穩(wěn)定性及材料老化對(duì)光學(xué)對(duì)比度的影響?？傮w而言，該方案為追求高性價(jià)比、高魯棒性觸覺(jué)感知的應(yīng)用提供了可行的技術(shù)路徑。