中国研发出神经形态电子皮肤,赋予人形机器人痛觉感知与应激能力

打印派   2025-12-31 09:14:06

中国科研团队成功研制出一种神经形态机器人电子皮肤,使人形机器人能够感知触觉、检测损伤,并在受到有害接触时像人类神经系统一样做出快速反射式反应。这项突破解决了机器人领域的长期瓶颈:当人类接触危险高温或尖锐物体时,感觉神经会直接将信号传递至脊髓,在大脑完全处理痛觉前触发近乎即时的避让动作,这种反射性反应有助于防止严重伤害。

然而,人形机器人通常依赖中心化处理模式——传感器数据需传输至中央处理器分析后再转化为运动指令,即使微小延迟也可能造成损伤,尤其在机器人日益频繁地与人类共处时。随着机器人走出受控工业环境进入家庭、医院和公共场所,研究人员认为它们需要更本能的环境交互方式,新型神经形态电子皮肤正是为此而设计。

超越基础触觉感知
现有大多数机器人皮肤仅能作为压力传感器,可检测接触但无法判断其危害程度。新型神经形态电子皮肤(NRE-skin)通过模拟生物皮肤处理感官信息的方式实现突破:采用分层式神经启发架构,将触觉输入转化为类似人类神经传递的电脉冲序列。

该皮肤由四层结构构成:最外层为类似人类表皮的保护层;其下是模拟感觉神经的传感器与电路,持续监测压力、作用力与结构完整性;即使在未接触状态下,皮肤也会向中央处理器发送周期性电脉冲以确认系统正常运行;若皮肤被割伤或损坏,脉冲会停止,使机器人能检测损伤并定位。

无需思考的反射机制
当发生接触时,皮肤生成编码压力信息的电脉冲。正常情况下这些信号会传输至中央处理器解析,但当作用力超过预设阈值(表明可能产生痛觉或损伤)时,系统将启动差异化响应:高电压信号直接发送至机器人电机,绕过中央处理器触发即时反射动作(如迅速缩回手臂)。

研究人员在论文中写道:"我们的神经形态电子皮肤具备分层式神经启发架构,能实现高分辨率触觉感知、主动疼痛与损伤检测及局部反射,以及模块化快拆维修。该设计显著提升了机器人的触觉能力、安全性以及服务机器人的人机交互共情体验。"

该皮肤还设计了磁吸式模块化贴片结构,可快速拆卸更换,使受损部位能在数秒内完成修复。研究团队正致力于提升系统灵敏度,以精确处理多触点同步感知——据《美国国家科学院院刊》报道,这是在复杂多变的人类环境中作业的机器人必须具备的关键能力。


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