华南理工“仿生天眼”：让机器人既“看得远”又“看得清”

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神话故事中，二郎神睁开额间“天眼”，一道神光可洞穿千里之外的幻形，辨别真伪。如今，华南理工大学的研究团队将这一神奇能力“赋予”了机器人。

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近日，华南理工大学机械与汽车工程学院谢颖熙教授课题组在国际高水平期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing）发表题为“A Bio-Inspired Proximity-Tactile Sensor Array with Beyond-Extreme Detection Depth for Embodied Intelligence”的研究论文。

研究团队受人眼瞳孔调节机制启发，研制出一种可动态调节感知距离与空间分辨率的仿瞳孔接近—触觉传感阵列，使机器人既能提前感知远处目标，又能识别近距离目标的位置和轮廓，并在接触后获取压力信息。

文章同时入选本期期刊封面文章，获重点推荐。期刊动态封面以《西游记》第六回“小圣施威降大圣”中二郎神天眼辨别孙悟空真身的经典故事为创意线索。画面中，孙悟空化作远方庙宇隐藏真身，二郎神开启额间天眼，一道神光向远处延伸，使隐藏其中的猴形本相逐渐显现。封面中的“天眼神光”既象征神话中洞穿幻形、辨别真伪的力量，也代表传感器向外延伸的感知电场。随着类瞳孔屏蔽层逐步打开，有效开放面积不断增加，电场得以向更远处延伸，直观呈现了“开放面积越大，探测距离越远”的设计原理。

技术突破：兼顾“看得远”与“看得清”

随着协作机器人、服务机器人和具身智能装备不断进入工业制造、家庭服务和医疗辅助等场景，机器人不仅需要在接触物体后感知压力，还需要在接触发生前提前发现人体、障碍物和目标物体。电容式柔性接近—触觉传感器能够同时实现非接触接近感知和接触压力检测，是提升机器人环境感知与安全交互能力的重要技术之一。然而，传统传感阵列受到电极尺寸和连接方式限制，小尺寸电极虽然能够提高空间分辨率，但探测距离有限；大尺寸电极可以感知更远的目标，却难以识别精细位置。因此，如何兼顾“看得远”与“看得清”，成为该类传感器面临的重要挑战。

为应对这一挑战，研究人员受到人眼瞳孔近反射机制的启发，设计了一种可动态调节开放区域的类瞳孔屏蔽层。如图1所示，人眼观察近处物体时瞳孔收缩，以提高细节分辨能力；观察远处目标时瞳孔扩大，使更多光线进入。仿照这一机制，传感器在需要探测远处目标时扩大屏蔽层开放面积，使更多感知电场向外延伸；在需要识别近距离目标时，则选择性开启局部区域，保持较高空间分辨率；当目标与传感器接触后，还可进一步检测接触压力，从而实现远距离接近感知、近距离精细感知和接触触觉感知三种模式的灵活切换。

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图1 仿瞳孔接近—触觉传感阵列的设计原理

在性能指标上，随着有效开放面积增加，该传感阵列的探测深度由相比于传统方案最大提升104.56%，并可在超过90毫米的距离范围内感知接近目标。同时，研究团队通过分形电极和多孔柔性结构设计，提高了传感器对接近目标和接触压力的响应能力，使其能够感知轻微触碰，并将压力检测范围拓展至400千帕。在连续10000次接近和压力加载测试后，传感器仍保持稳定响应，表现出良好的重复性和耐久性。

技术落地：多场景适配，赋能机器人智能交互升级

在应用方面，研究团队将该传感阵列应用于扫地机器人和具身智能人机交互场景。传感器可帮助扫地机器人提前发现电线、拖鞋、透明玻璃和海绵等传统传感器较难识别的家庭障碍物，并结合智能算法实现10类常见障碍物识别，准确率达到97.8%。如图2所示，该传感阵列还可识别左右挥动、张开、捏合和空中敲击等非接触手势，识别准确率达到96.2%；同时能够对接近目标进行三维空间定位和运动轨迹重建，为机器人目标抓取、多级安全防护和自然人机交互提供新的感知方式。

图2 仿瞳孔传感阵列在具身智能人机交互中的应用

综上所述，研究人员通过引入可动态控制的类瞳孔屏蔽层，构建了一种能够在远距离接近感知、近距离精细感知和接触压力感知之间切换的柔性传感阵列，突破了传统接近传感器在探测距离与空间分辨率之间的制约关系。该研究为机器人主动避障、目标定位、手势识别、安全人机交互及具身智能应用提供了新的解决方案，也为自适应柔性电子皮肤和多模态机器人感知系统的发展开辟了新路径。

华南理工大学博士生吴小华为该论文第一作者，华南理工大学谢颖熙教授为通讯作者。本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金及中央高校基本科研业务费等项目的资助。

《极端制造》

《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，简称IJEM）是中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域高质量前沿研究成果。期刊自2019年创刊以来，已陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录，最新JCR影响因子为25.1，位列工程、制造学科领域第一，为中国科学院期刊分区表工程技术1区TOP期刊，并入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

文章链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae3ee6

封面链接：

http://cn.ijemnet.com/index.htm

党委宣传部（融媒体中心）

信息来源：机械与汽车工程学院

微信编辑：鲍恩

初审：冀早早

复审：卢庆雷

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