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中国工业报记者 毛志亮
视触觉融合感知能力，是具身智能机器人认知世界的关键，同时也是技术难点。现阶段机器人识别物体时，视觉与触觉大多为两套相互独立的系统：一套负责“看”，一套负责“摸”。两类信息采集位置、采集时间均不统一，需要依靠后续算法完成信息融合。这套分立式感知方案，在复杂作业场景下容易产生信息错位、信号干扰等问题，制约机器人对环境实现精准感知。
8月20日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）材料人工智能研究所研究员陈明、杨春雷团队联合新加坡南洋理工大学教授魏磊团队在《自然—传感》（NatureSensors）发表的最新研究解决了这一难题。团队受海胆管足的启发，研发出了一种高灵敏度、低串扰的仿生视触觉传感器，首次在单一柔性材料单元内实现了光电信号与压力信号的同源、同步感知。物体识别的准确率从单一模式最高的80%提升至96%。该研究为柔性多模态传感提供了一种全新的材料与器件范式，有望为具身智能、人机交互和精密制造等领域带来新的“同源感知”方案。
深圳先进院在读博士生赵彬喆为论文第一作者；陈明、杨春雷、魏磊为论文共同通讯作者。深圳先进院为论文第一单位。
受海胆启发 打破“信息孤岛”
在环境感知方式上，当前光电传感器可以实现非接触式感知（相当于“看”），压力传感器则负责接触式感知（相当于“摸”）。然而，目前大多数系统的光电单元和压力单元在空间上分离布置，两种信号采集的时间也不同步，需要后期算法进行融合。“这就形成了‘信息孤岛’，使得传感器在物体材质区分、动态环境感知、多物理场同步监测等复杂任务中容易出现信息错位和信号干扰，限制了系统对环境信息的综合理解能力。”论文共同通讯作者、深圳先进院研究员陈明解释。
研究团队注意到，海胆的管足在自然界中是一种独特的感知单元——感光细胞和机械感觉细胞集成在同一个生物结构内，能够实现局部的信息整合。受此启发，团队提出了一种新的设计思路：将光电感知和压力感知集成到同一个柔性材料单元中，实现“同源、同步”的视触觉感知。
同源同步感知 识别物体更精准
研究团队设计了一种垂直集成的传感器结构。器件包含两个功能层—上层为SnSexSy/PTAA光电异质结（负责感知光），下层为PP/FCNT共价键合导电网络（负责感知压力）—通过共享电极垂直集成。两种信号通过独立的通道读出。
实验数据显示，该传感器在0至40千帕范围内的压力灵敏度为245.41每千帕，线性度R²>0.99；在390纳米光照下光响应度为85.31安培每瓦；光电-压力通道间的串扰系数小于1%。“这表明，传感器在感知不同材质表面的细微差异时具有较高的敏感度，同时也验证了光电与压力两种信号能够各自独立工作、互不干扰。”陈明解释。
研究团队进一步验证了该传感器在三种典型场景中的实用性。在物体识别中，5×5传感器阵列对铝合金、尼龙、硅橡胶等10种不同材质和结构的物体进行识别时，纯光模式准确率仅41%，纯压力模式为80%，而光电-压力同源模式的准确率提升至96%。在机器人导航中，集成了36个传感器的球形机器人，在模拟火场中的自主导航成功率达94%。在土壤监测中，该传感器同时追踪了土壤湿度和光照强度的日变化规律，在园土、细河沙、红黏土三种土壤类型中的双模态识别准确率超过99%。
“在实际场景中，单一模态的信息往往不够，需要两种感知方式协同工作。”陈明说道。该研究首次将海胆管足的仿生范式转化为人工材料体系，为柔性多模态传感提供了全新的设计思路。它证明了“同源同步感知”在原理上的可行性，实现了从传统的“先看后摸”到全新的“同源感知”的技术转变，有望为具身智能、人机交互和精密农业等领域提供新的技术选项。
研究团队相关核心传感器专利已获得授权，并获批了深圳市光电异质集成传感器中小试基地，与多家龙头企业建立合作关系，推动柔性传感器在具身智能、智能制造、医疗健康等领域的产业化应用。
未来，研究团队将进一步推进该传感器的小型化和阵列化集成，探索其在灵巧手视触觉感知等场景中的应用。(图/研究团队)