研究背景

具身智能作為通用人工智能發(fā)展的關(guān)鍵方向，強(qiáng)調(diào)通過身體與環(huán)境的交互實現(xiàn)對復(fù)雜任務(wù)的自適應(yīng)處理。其核心理念在于感知、決策與執(zhí)行的一體化融合，尤其在動態(tài)場景中，有助于增強(qiáng)智能體的情境感知與自主決策能力。作為具身智能的關(guān)鍵組成，觸覺感知可使智能體獲取來自環(huán)境的高保真接觸信息，并結(jié)合行為意圖識別，實現(xiàn)人機(jī)間更自然的交互。然而，現(xiàn)有傳感器難以同時兼顧接近與壓力感知，傳統(tǒng)壓力傳感器僅在接觸后才能響應(yīng)；而紅外、超聲等非接觸式系統(tǒng)雖可實現(xiàn)遠(yuǎn)距探測，卻易受環(huán)境干擾，且無法感知壓力，嚴(yán)重制約其在高階人機(jī)交互中的應(yīng)用潛力。為同時實現(xiàn)接近和觸摸感知，現(xiàn)有方案多采用異構(gòu)架構(gòu)，將壓力感知與接近感知分開設(shè)計，但這種方式會導(dǎo)致信息解耦困難，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和交互的準(zhǔn)確性。

研究成果

針對上述問題，該研究受電鰻環(huán)境感知機(jī)制啟發(fā)，廈門大學(xué)廖新勤教授團(tuán)隊提出了一種仿生電鰻（Bioinspired electric eel，Bio-EE）觸覺界面，構(gòu)建了融合接近預(yù)測與接觸感知的多維具身交互框架。該界面空間感知距離達(dá)7 cm，分辨率高達(dá)500 μm，具備120 Hz 高頻振動響應(yīng)能力，可實現(xiàn)最大360 kPa的寬量程壓力檢測范圍。該研究以題為“Dielectrically modified polymer and topologically optimized microstructure enabling in-sensor decoupling for multifunctional human–machine interactions”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

研究內(nèi)容

Bio-EE觸覺界面的設(shè)計概念

 Bio-EE觸覺界面借鑒了自然界電鰻的電感與機(jī)械感知機(jī)制，構(gòu)建了雙通道仿生感知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)非接觸感知與寬域壓力響應(yīng)的融合感知能力。其結(jié)構(gòu)集成雙響應(yīng)（Dual-response，DR）與（composite microstructure，CM）兩種傳感器，分別模擬電鰻的電/機(jī)械感受器，通過分區(qū)感知策略實現(xiàn)近距離無接觸探測與不同強(qiáng)度壓力的高精度識別。DR傳感器在非接觸區(qū)域中可快速響應(yīng)目標(biāo)接近，實現(xiàn)預(yù)判式系統(tǒng)響應(yīng)，而CM 傳感器則對持續(xù)的接觸壓力刺激表現(xiàn)出良好的區(qū)分感知，支持從輕柔觸碰到強(qiáng)力按壓的寬范圍輸入。

Bio-EE觸覺界面的形貌特征與性能

Bio-EE觸覺界面融合了介電修飾的多孔結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)合微結(jié)構(gòu)，不僅具備優(yōu)異的壓力感知能力，還突破了傳統(tǒng)觸覺傳感器在距離感知方面的限制。Bio-EE觸覺界面實現(xiàn)了70mm的距離檢測范圍和500 μm的距離分辨率，能在120 Hz動態(tài)頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的振動感知?；贐io-EE觸覺界面強(qiáng)大的距離與壓力感知能力，交互系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地識別接近與觸摸意圖，從而減少了響應(yīng)延遲，提升了情境感知和環(huán)境交互能力。

基于Bio-EE觸覺界面的人機(jī)交互應(yīng)用

Bio-EE觸覺界面集成了距離響應(yīng)與壓力響應(yīng)能力，通過配備獨立的高精度信號讀取電路，能夠精準(zhǔn)感知用戶的接近與觸摸意圖。通過MCU融合處理多源信號并輸出控制指令，Bio-EE實現(xiàn)了從感知、識別到動作執(zhí)行的閉環(huán)意圖驅(qū)動控制，廣泛適用于康復(fù)外骨骼、無人機(jī)、六足機(jī)器人等場景，有效提升了人機(jī)交互的響應(yīng)速度、控制精度與交互效率，展示出在復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行中的優(yōu)越性能與應(yīng)用潛力。

基于Bio-EE陣列的虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實交互

通過構(gòu)建虛實閉環(huán)的雙向觸覺交互系統(tǒng)，顯著提升了沉浸感與操作體驗。在虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實中，Bio-EE能夠基于接近-觸摸意圖識別，實現(xiàn)虛擬角色的非接觸式與接觸式控制，同時集成可編程幾何溫度反饋陣列，提供多層次的真實痛感反饋，使用戶能從虛擬世界獲得物理反饋并作出真實反應(yīng)，打通從“現(xiàn)實驅(qū)動虛擬”到“虛擬反向反饋現(xiàn)實”的閉環(huán)路徑。這一控制與反饋集成設(shè)計，顯著提升了虛擬世界中觸覺引導(dǎo)、操作精度和用戶沉浸體驗。

人工智能輔助的紋理識別和身份認(rèn)證