美国西北大学和以色列特拉维夫大学的研究人员克服了实现先进机器人触觉低成本解决方案的重大障碍。许多关于触觉传感器的论文中潜伏的问题在于机器人皮肤本身。

这项研究观察到，用于制造皮肤的廉价硅橡胶复合材料在顶部和底部表面存在一层绝缘层，这阻止了传感聚合物与监测表面电极之间的直接电接触，使得精确且可重复的测量几乎不可能实现。消除这一误差后，廉价的机器人皮肤可以让机器人模仿人类的触觉，感知物体的曲线和边缘，这对于正确抓取物体至关重要。

西北大学麦考密克工程学院电气与计算机工程教授马修·格雷森表示，在《先进电子材料》杂志上发表的一篇论文中，一个由电气工程师和聚合物材料科学家组成的跨学科研究团队阐明了这个问题，并提供了验证电接触的实用步骤，这可能会在不知不觉中影响设备性能。

“许多科学家误解了传感器的响应，因为他们将触点的行为与传感器材料的行为混为一谈，导致数据不一致，”格雷森表示，“事实证明，如果没有意识到这个问题，发表的论文就没有人能够复现。我们的工作确定了确切的问题，从微观和电气角度量化了其程度，并提供了清晰的分步故障排除手册来解决问题。”

典型的机器人皮肤所用的橡胶被称为弹性体，柔韧、轻便且价格低廉。当添加碳纳米管等导电填料时，所得复合材料便成为触摸传感器的理想选择，其电阻在按压时会局部发生变化。但为了接收电信号，传感器需要电接触。研究人员检测到这种复合材料中始终存在一层薄绝缘层，这可能会极大地改变触点的行为。只需打磨掉这层超薄的绝缘层，研究团队就能实现更强的电接触，并在电气和微观层面校准绝缘层的厚度。

“所有有趣的事情都发生在界面处，”论文合著者、特拉维夫大学教授诺亚·拉赫曼说道，“这篇论文不仅展示了传感器界面的重要性，也体现了在材料科学和电气工程这两个不同学科之间建立联系的重要性。多年来，材料专家一直怀疑导电聚合物复合材料中存在这种绝缘外层，但一直无法理解其电学效应。我们每个人都掌握了这道谜题的其中一环，但只有齐心协力，才能拼凑出完整的图景。”

机器人技术尤其棘手，部分原因在于它需要多种专业知识。例如，为机器人设计功能性电子材料的聚合物材料科学家，与负责处理传感器信号的电子元件的电气工程师所接受的培训和技能不同。格雷森表示，“接触准备”的挑战正是这项研究讨论的起点。

“这就是为什么我们与特拉维夫的合作至关重要，他们了解我们所不了解的材料科学，”格雷森说，“我们依靠他们来准备我们正在研究的材料，然后我们取出并研究这些材料，然后再帮助特拉维夫的材料科学家更好地表征他们的材料。”

生产新材料并进行复制需要在许多不同的变量上保持一致性，而这些变量通常难以控制，甚至无法控制。Grayson揭示了触觉感知领域大量文献中存在的可重复性问题，并以此挑战研究界，要求他们通过本文中描述的质量检查来提高自身标准。随着研究人员对这一问题的认识不断加深，新的出版物可以更加可靠地推动该领域的发展，带来新的成果。

该论文得到了美国国家科学基金会（NSF ECCS-1912694、NSF DMR-1720139）、西北大学（通过皇冠家族基金）、Leslie和Mac McQuown夫妇、特拉维夫大学（通过纳米科学与纳米技术中心）以及美以双边科学基金会（BSF资助号2018732）的支持。此外，西北大学以色列创新项目和西北大学电气与计算机工程系也为论文的出版提供了额外支持。