新加坡国立大学开发“智能泡沫”材料以实现更好的人机交互

陈济桁
　　随着人工智能的发展，机器设备和机器人正变得越来越智能，但是，它们仍然缺乏像人类一样能够触摸和感知微妙而复杂环境的能力。现在，新加坡国立大学（NUS）研究人员已经发明了一种智能泡沫，具有人类一样的感官能力。
　　这种新型材料被称为“人工神经支配泡沫”，简称AiFoam，具有柔软的外观，触感如海绵一般，不仅可以模拟人类的触觉，还可以通过非实际接触方式感应到周围环境和物体。此外，AiFoam还可以在材料受损时完成自修复。与其他传统材料相比，AiFoam是世界上首个能同时实现上述功能的智能泡沫材料，它有望使机器人变得更加智能化，交互能力更强。这种突破性的材料是由新加坡国立大学材料科学与工程系助理教授本杰明·泰（Benjamin Tee）和健康创新与技术研究所（iHealthtech）领导的研究团队历时2年共同开发完成。
　　Tee教授表示，设计研发AiFoam是希望证明机器人也能够实现人类感官能力，这将创造人与机器之间新的交互模式。
　　这项研究成果的详细内容已于2020年11月12日发表在《自然通讯》期刊中。
　　为机器人配备人类的感官能力
触感是人类最重要的感官能力，它的存在使得人类能够在不熟悉的环境中准确掌握物体，并执行有效操作。当与人互动的机器也具备这种感官能力时，机器人的行动和决策可以更加平稳、安全和可预测。
　　以清洁机器人和机器人服务员等为例，如果这类机器人能够在非接触时，从远处检测到人类存在并使用识别和学习的相关信息推断出人类的意图，那么机器人就可以更快地提前预测人类行动并做出反应，避免与人发生碰撞，特别是在拥挤、狭窄的区域。
　　尽管一些先进的电子皮肤材料在直接与物体接触时可以通过电信号感知压力，但无法感知接触物体的运动方向，因为这需要更复杂的感知能力。NUS研究团队决定据此开展研究工作，找到该技术问题的解决方案。
AiFoam：帮助机器人更好地感知和响应周围环境
　　AiFoam是一种高弹性聚合物，是通过将类似于聚四氟乙烯的氟聚合物与可降低表面张力的表面活性剂混合制成。最终形成了一种材料，当这种材料被分割成几部分时，它又能够很容易的融合成一个整体。随后，研究小组在材料中注入微小的金属颗粒，使得这种智能泡沫材料能够感应类似于人手指等电容性物体的存在。
　　NUS团队之所以决定开发一种智能泡沫材料，是因为与传统薄片材料相比，泡沫类材料可以变得更加敏感。也可以通过改变空气与材料的比例更好地控制泡沫柔软度。与其他常用的电子皮肤材料（如有机硅）相比，泡沫材料能够更好地感知人的存在。实际上，AiFoam能够在非接触的情况下，在几厘米远的地方即可检测到人类手指的存在。AiFoam独特的配方使其能够更有效地检测人或周围物体的存在，这与其他通常利用光和反射原理的传感器不同，后者往往可能导致更高错误率。
　　Tee表示，通过使用特殊配方的泡沫，可以轻松地感测压力和物体的临近程度。
　　为了模拟人类皮肤中最敏感的神经末梢，研究人员在泡沫表面下方嵌入细小的圆柱状电极。它们不仅仅能检测到力的大小，还能检测施加力的方向。这将使机器人更好地理解人的意图，或者提前感知接触的物体即将滑落，从而可以更快，更恰当地做出反应。
　　泡沫中的表面活性剂即使在被破坏后也能自愈，非常适合在机械假肢等应用中使用。泡沫被拉伸至其长度的2倍以上（230%）也不会发生破裂。为了让材料自愈合，研究人员在4天时间内将其加热到70℃。使得材料最终自修复了约70%，并且仍可以继续被拉伸至其长度的几乎2倍（180%）。
　　未来的应用
NUS团队正探索与机器人公司合作的可能性，并希望将AiFoam的使用范围扩展到机器人和医用假肢等领域，实现人机之间更加无缝的交互。
　　AiFoam的自修复特性以及对接触力的敏感性，可以使机器人更好地判断人类的意图，并打造出新一代能够对环境变化做出快速有效反应的机器人。