指尖轻轻一触你就能分辨出苹果的爽脆、面包的松软或是丝绸的细腻——这看似简单的感知却是人类皮肤数百万年进化的精妙之作——人类指尖每平方厘米分布着约240个触觉感受器能同时捕捉压力、纹理、软硬等多维信息并瞬间传递给大脑形成精准的“触觉画像”。如果为机器人赋予这样的“指尖触觉”甚至更敏锐的感知世界会怎样想象一下在水果店它是轻轻一碰就能为你挑选出那颗熟度完美水果的“魔杖”在医院它是能通过组织硬度的细微差异在肉眼或内窥镜都无法“看到”的时候为“未发之疾、初起之症”进行早期诊断的“金手指”在博物馆或拍卖会上它是凭借对材质与微痕的精准感知辅助鉴定文物、艺术品真伪的“时空触手”……一项来自香港科技大学广州的突破性研究正尝试将这份“指尖智慧”变成现实。近日港科大广州功能枢纽可持续能源与环境学域訾云龙教授团队在国际顶尖期刊《Advanced Materials》上发表了最新研究成果其团队成功研制出亚毫米级分辨率的双模态触觉传感器阵列。该技术首次实现了对物体表面软硬度分布的精细触觉感知使机器人系统获得了接近人类指尖皮肤的感知与辨析能力。訾云龙教授团队在国际顶尖期刊《Advanced Materials》上发表最新研究成果起点赋予机器人更生动的触觉“人类通过五感认知世界机器要走向真正的智能也需要模拟这些感官。”訾云龙说“目前仿生视觉和听觉已相当成熟但触觉的精细复现仍是亟待突破的‘深水区’。”自港科大广州成立之初訾云龙团队便启动了这项仿生触觉研究现有触觉传感器长期面临一个困境高分辨率与多模态感知难以兼得。高分辨率传感器往往只能测量单一信息如压力而多模态传感器又常因结构复杂导致尺寸偏大、精度受限。此外基于压电、摩擦电等自供电机理的传感器信号串扰严重阻碍了信息的精准解码。团队决心攻克这一瓶颈。“机器人看到一个苹果并抓取但它抓回的可能是塑料模型。”訾云龙举了一个生动例子“真苹果含水质地与塑料苹果不同生香蕉与熟透的香蕉软硬也天差地别。”因此他们选择从“软硬度”这一关键物理属性切入为机器人增添一个辨别真伪、判断品质的全新感知维度。自港科大广州成立之初訾云龙团队便启动了这项仿生触觉研究至今已历时三年半,来自港科大广州的博士生何少帅是团队主力的研究者之一。团队从昆虫触觉感受器钟型感受器的结构中获得灵感提出了一种双模态智能触觉传感器bimodal intelligent tactile sensor, BITS其基于摩擦电效应在自供能的条件下同时实现材料种类、材料柔软度识别和量化弹性模量。该传感器设计为半球顶的结构利用与不同柔软度物体的接触面积不同而产生的电压信号幅度不同结合力学赫兹接触理论Hertz contact model可以实现材料柔软度识别和量化弹性模量。2024年7月该研究曾以“Biomimetic bimodal haptic perception using triboelectric effect”为题发表在《Science Advances》上。攻坚在亚毫米尺度“布线造指”然而訾云龙教授团队并未止步于此。此前在《Science Advances》上发表的成果虽已实现了材料种类识别率99.4%、材料软硬度识别率100%的准确率并制作出单个触感器在5毫米级的阵列集成但团队清醒地意识到要赋予机器人真正灵巧的“智能指尖”必须在传感器的微型化与集成度上继续突破。“指纹的间距大约在一毫米以内。触感器要做到这个尺度以内才能感知如指纹般精细的纹理。”訾云龙指出。这意味着研究需进一步迈向亚毫米级的阵列集成让机器人不仅能判断软硬更能“触摸”到物体表面的微观纹理与图案。“在港科大广州我们不仅要以科学家思维发现问题、提供解决方案更要以工程师思维交付‘实际可用的样品’让科研与工程贯通才能让实验室研究走向真实的应用场景。”訾云龙说。然而尺寸每缩小一步工艺难度便呈指数级增长。“制备工艺是最大的困难。”何少帅坦言。这个传感器阵列需要做到“平面与曲面的精密结合”团队需要将上百个微米级的“小手指”传感单元排列整齐每个单元都要独立连接压电与摩擦电两层信号线总计两百余根导线且绝不能互相串扰。“这就像在一个极小面积内进行超精密的‘布线手术’。”何少帅说。材料选择与工艺调试更是犹如迷宫。仅为了找到适合制造微柱阵列基底的材料团队就迭代了十几种配方从热固化到光固化经历了上百次失败。是什么支撑团队走过反复试错訾云龙认为关键在于“看到希望的微光”。“哪怕最初只能手搓出一个粗糙的样品但只要核心功能被验证可行后面的路就是不断优化。” 他表示导师的作用之一是帮助学生判断某个难点是“可攻克的技术挑战”还是“必须绕行的理论死胡同”从而培养学生的风险判断与科研管理能力。港科大广州跨学科的环境为这场精密攻坚提供了关键支撑。“学校的优势在于不同领域的师生很自然地交流协作学科壁垒被主动打破。”訾云龙说。这促使团队跳出单一领域的思维定式——不再局限于研发更高灵敏度的新材料而是通过融合学科视角系统性破解集成难题。“学校倡导的融合学科理念、充足的资金支持和共享实验室资源为我们的研究提供了坚实的基石。”何少帅补充道。团队虽然大多只是材料学背景但通过大学跨学科学习与协作他们补全了微电子等相关知识并与人工智能、智能制造等学域的师生紧密合作不断优化传感器设计逐步实现了从宏观器件到微米级器件的跨越。研究团队完成了亚毫米级分辨率双模态智能触觉传感器的关键跨越最终通过将皮秒紫外激光精密加工与高精度3D打印等尖端制造技术进行创新融合并攻克了相应的工艺集成难题团队成功实现了触感器单元的微型化将单个触感器尺寸从此前的5毫米缩小至0.35毫米完成了亚毫米级分辨率双模态智能触觉传感器的关键跨越。应用精细触觉感知蕴藏着无限可能性能的稳定与提升为技术转化铺平了道路。这项兼具“亚毫米级分辨率”与“双模态感知”的技术打开了极具想象力的应用空间。最直接的应用是高安全性产品的溯源与防伪。“我们可以在产品表面用肉眼乃至光学设备都无法识别的微小软硬度差异制作一个独特的‘物理指纹’。”訾云龙描述道“专用设备或机器人一摸便能读取信息实现极难仿造的真伪验证。”在智能家居与工业分拣中机器人将能真正实现“择优而取”——从一堆水果中精准挑出成熟度最佳的一颗或在一批外观相同的物品中识别并抓取特定目标。医疗健康是另一个充满前景的方向。如果将其应用于内窥镜通过感知身体内部组织硬度的细微差异可为早期诊断提供触觉线索。訾云龙教授右二和团队成员对于应用前景团队保持着开放而务实的态度“有的方向非常契合有的则是技术原理的有趣延伸。这也恰恰说明精细触觉感知蕴藏着无限可能。”面对未来团队方向清晰。訾云龙透露下一步基础研究将继续向感知滑动、三维力等更复杂的触觉维度深化而技术转化则会秉持开放心态积极寻求与产业界的合作契机。“现在正是带着我们‘能做什么’的明确答案去与市场对话的好时机了。”教授专栏由香港科技大学主理出品的【教授专栏】汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普用最新鲜的视角解读社会动态以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台聚合更多新锐观点打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】教授简介訾云龙教授香港科技大学广州功能枢纽可持续能源与环境学域长聘副教授。2009年于清华大学材料科学与工程系获得学士学位2014年于美国普渡大学物理系获得博士学位2014-2017年在美国佐治亚理工大学从事博士后研究工作。2017-2022年于香港中文大学任助理教授。2022年7月起加入香港科技大学广州。訾教授长期从事高性能摩擦电能量采集、仿生触觉传感、自供能无线系统、摩擦电致发光相关的工作在多个领域取得多项原创性科研成果。发表论文近200篇引用20000余次H因子77并出版学术专著三部。曾入选香港科技大学广州首届倪明选程燕伉俪杰出教学奖、科睿唯安高被引科学家2025、斯坦福大学世界前2%科学家“终身影响力”榜单20242025、英国物理学会会士2023、《麻省理工科技评论》亚太区35岁以下的科技创新35人TR352022、Nano Energy Award2021、Journal of Materials Chemistry C先锋研究者2018、美国材料研究学会MRS Postdoctoral Award2017、普渡大学“转型创造者”2013等学术奖励和荣誉。目前担任iEnergy副主编、IEEE Open Journal of Nanotechnology副主编、Electronics Letters副主编、SmartSys编委等学术职务。往期回顾教授专栏191 |齐晔: 全球气候行动何去何从教授专栏190 | 马军:机器人仓储系统如何进一步推动智慧物流的发展主编 | 袁冶责编 | 周姗核校 | 柳松、许珺、吴倩来源 | 转载自香港科技大学广州 | 功能枢纽 公众平台