诺贝尔生理学奖—感知

传感器技术 2021-10-14 07:00

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问题描述

2021年诺贝尔生理学奖揭示了生物体感知物理世界的机理,为哲学上理解“感知”提供科学基础。众所周知,一千个人眼里有一千个哈姆雷特,针对该奖项不同的人具有不同的感悟:对于生理学家,更关心离子通道受体以及基因表达等信息,期望相关的技术能够应用于疾病治疗过程;然而对于我来说,更关心生物感受外界信息的机制能否映射到智能机器人,在工业以及健康医疗领域产生价值。

近些年来,随着人工智能技术的发展,机器视觉以及语音识别等技术取得了长足的进步,然而对于机器触觉目前还处于探索阶段,如何设计出类似皮肤的感知器件,对接触体的纹理、硬度、接触形貌以及接触力等信息进行综合评价,是当前急需解决的问题;因此,近来对相关资料进行了归纳汇众,具体如下所示:

附: 调研可知,工业机器人能够基于位移、力等多种模式实现目标抓取,然而该过程不能够识别物体表面信息,人机共融性较弱,因此,触觉传感器在医护、养老机器人等领域具有重要的意义;通过机器学习,建立感知器件与硬度、表面粗糙度、接触压力等物理量之间的关联,提高智能机器人的人机交互特性,扩宽机器人的使用范围。

附录:补充材料

附1、2021年诺贝尔生理学奖主要内容?

今年诺贝尔奖解释了生物体如何将外界冷、热刺激以及压力激励转换为电学信号,相关发现对许多疾病的治疗具有重要意义。例如:压力感知在生物体血压调控、呼吸以及排尿等过程中具有重要的意义;临床中能够借助超声技术调控离子通道状态,治疗神经痛,骨关节以及其他软组织损伤。

上图表述为David Julius的研究成果,实验证明温度传感器的本质是一系列不同温度阀值的离子通道开关;下图表述为Ardem Patapoutian研究成果,发现了能够识别机械力的离子通道基因。

附2、机器触觉的实现—电子皮肤?

近些年来,为了更好的实现“触觉”感知,国内外学者开展了大量的研究,设计制备了多种电子皮肤传感器,研发出各种可穿戴设备,例如:1、东京大学takao someya教授;2、rogers课题组;3、鲍哲南课题组:北京协同创新研究院基于相关成果制备了电容式压力传感器;4、浙江大学汪延成课题组(传感器设计);5、东南大学与上海航天八院开展合作,通过给机械爪添加触觉模块实现系统的精细控制;调研可知,应用场景主要包含可穿戴设备和工业机器人两个方面,具体内容如下所示:

传感元件设计与神经网络、ai技术相互融合,能够产生较多有意义的成果,例如:东京大学takao someya基于AI+柔性传感器,实现了人体动作捕捉,在AR/VR领域具有广泛的应用;右侧展示了rogers课题组研究成果,能够监测新生儿的体温、血压以及呼吸频率等生物信息,实现远程医疗监护;

按照触觉感知器件的设计原理,传感器可分为:电容式、压阻式、光电式以及电阻应变式等;下图展示了触觉感知在工业领域的应用实例,具体为:

上展示了浙江大学汪老师课题组的研究成果,通过电子印刷的方式,设计了压阻式柔性触觉传感器,其中,压力敏感元件采用石墨烯/硅橡胶复合材料(优点:成本低;弊端:一致性、耐久性以及线性度一般);图c和d展示了机械爪抓取网球的过程,以及夹持力的动态变化过程;

针对触觉传感器信号采集系统,当前存在的难点主要有:1、信号采集:工程中通常采用矩阵式传感器模拟神经末梢的分布,因此设计过程中需要考虑采样速率、采样精度以及传感器密度之间的平衡;2、数据处理:构建接触压力相关的时间序列,提取目标信息;具体内容如下所示:

上图展示了分布式压力传感器宏观结构;图b展示了信号采集系统的核心框架;
 

附1、皮肤作为人体重要的感知器官,能够获取接触力幅值、几何形貌、表面材质、 粗糙度、硬度、温度等信息; 


来源:轻量化结构设计与分析

 

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