在漆黑浑浊的水域中,电鳗依靠在自身周围生成电场、并读取场内扰动来定位猎物,这种独特的"电感觉"能力早已是自然界演化出的经典范例。
如今,一支中国科研团队从这一生物机制中获得灵感,成功研制出一种能够让机器人在不发生任何物理接触的情况下,"感知"到周围物体存在的新型传感器。
这项研究由西安电子科技大学教授张卫强(音译,Zhang Weiqiang)领衔完成,相关成果已于上月发表在同行评审期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。
张卫强在接受采访时表示:"我们希望机器能够在发生任何物理接触之前,就感知到正在靠近的目标,并分辨出它的材质与表面状况。"
研究团队所借鉴的,正是电鳗这套独特的定位系统——猎手在自身周围主动生成电场,并通过读取附近物体所引起的场内扰动,来判断猎物的方位与性质。
团队将这一逻辑直接移植到工程设计当中:构建一个稳定电场,探测场内发生的扰动,再从扰动信号中提取有用信息。
这枚传感器的核心材料,是一种经过特殊处理的氟聚合物(fluoropolymer),它的作用方式类似于一块微型静电电池——通过电晕极化(corona-polarized)工艺充入电荷后,能够长时间保持电荷不流失,从而在自身周围维持一个稳定的电场,如同一张肉眼不可见的蜘蛛网。
张卫强解释道:"当有物体靠近时,传感器会捕捉到电场发生的变化,并从这些变化中推断出该物体的导电性、介电特性以及几何形状。"
研究团队将这一固态装置视为电定位现象的一种"固态类比"实现方式,能够对导电与非导电两类目标同时进行感知。
无需触碰即可"看穿"材质,应用前景指向机器人触觉升级
根据公开的研究摘要,这套传感器系统已被证实能够探测并区分金属、塑料、玻璃等多种不同材质的目标物体,而传感器输出的波形特征本身,便携带着与材料性质密切相关的信息。这意味着机器人未来或许无需真正触碰某一物体,仅凭借这种电场扰动信号,便能初步判断出物体究竟是金属零件、塑料外壳,还是易碎的玻璃器皿。
这一能力对于机器人技术领域而言意义重大。当前,绝大多数机器人依然高度依赖视觉与传统的接触式触觉传感器来感知周围环境,前者在低光照、烟雾弥漫或视线受阻等复杂场景下容易失效,后者则必须等到实际接触发生之后才能获取信息,难以提前规避潜在的碰撞与损伤风险。
一种能够在接触前预先"感知"物体材质与形状的非接触式传感方案,恰好填补了这一关键空白——它既可以作为视觉系统的有效补充,也能在精密装配、易碎物品抓取,或是在昏暗甚至完全无光的复杂环境中作业等场景下,为机器人提供额外的安全冗余与决策依据。
这类仿生电场传感技术的出现,也呼应了近年来机器人触觉感知领域的整体发展趋势——从对人类皮肤压力与温度感知的模拟,逐步扩展到向自然界中更为奇特、也更为高效的感知机制取经借鉴。
电鳗历经数百万年演化打磨出的这套"电定位"本领,如今正被工程师们重新解读,并转化为一种可以量产、可以集成到机器人手臂与传感皮肤当中的实用技术方案。
随着人形机器人与工业机器人对环境适应能力的要求不断提高,这类兼具低成本、高灵敏度与非接触优势的新型传感方式,或许将成为下一代机器人"感官系统"中不可或缺的一环——让机器不再仅仅依靠"看"与"摸"来认知世界,而是像电鳗一样,提前"感受"到即将靠近的一切。
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