開發有類似人體感知能力的自主機器人系統，對于公共衛生、安全監測和環境、農業保護等方面有著重要意義。
利用該類機器人系統的觸覺感知功能，可極大防止人類在極端和危險環境中工作時暴露于危險之中。
近日，科研人員研發了一種由 AI 驅動、基于軟電子皮膚的人機界面。該系統具有全打印、可大規模生產特點，并能夠進一步推廣應用于其他遙感平臺。
6 月 1 日，相關論文以《用于機器人理化傳感的全打印柔性人機界面》（All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing）為題發表在 Science Robotics 上 [1]。
（來源：Science Robotics）
上?？萍即髮W生物醫學工程學院常任軌助理教授、智能醫療分析與柔性生物電子實驗室主任于游擔任第一作者，通訊作者為加州理工學院醫學工程系助理教授高偉。
據了解，該人機傳感系統名為 M-Bot，其工作的方式是先采集人體的表面肌電信號，再使用機器學習算法對信號進行解碼，最后達到遠程控制機器人的目的。同時，機器手的電子皮膚可以執行接近感應及觸覺和溫度的感知映射，并在化學傳感器的輔助下對溶液相和干相毒害化合物進行水凝膠輔助的現場采樣和實時分析。
目前，有許多有毒化合物需要嚴格監管，比如農藥、爆炸物或化學神經毒劑，其會引發神經系統疾病、不孕癥等，甚至導致人的死亡。此問題解決的緊迫性進一步促使了可控人機交互機器人系統的開發。
之前的機器人傳感技術主要集中在監測壓力、溫度等物理參數，但是能對殺蟲劑、神經毒劑和傳染病病原體等物質檢測的化學傳感器發展還不成熟。
本次研究人員開發的人機界面系統展示出在電子皮膚在物理和化學傳感方面的廣泛應用。
圖 | M-Bot（來源：Science Robotics）
M-Bot 可以在危險性環境中進行原位威脅復合檢測，比如有效地跟蹤微量有害化合物，當通過智能決策算法檢測到污染時，可為人們提供交互式觸覺警報反饋。
當前新冠疫情仍在世界各地大流行，該工具也可擴展到對 SARS-CoV-2 等致病性病菌監測上，避免直接與患者接觸，從而在抗擊傳染病方面發揮作用。
機器人要想得到有效部署，必須能夠與環境進行交互。電子皮膚由于高靈活性和適應性，被認為是電子產品與人/機器人身體之間的理想接口。
不過，當前，基于電子皮膚的多功能機器人監測系統仍存在一定局限性和難點。
大多數危險化合物的快速檢測方法需要手動樣品制備步驟，將化學傳感器集成到基于電子皮膚的機器人系統上較為困難，這阻礙了機器人與人交互和“感受”外部世界的能力。
機器人機械手在極端環境中需要觸覺、化學和溫度等反饋來處理任意物體，以進行準確的物理化學分析。
而于游等研究者打造的傳感機器人系統 M-Bot 能夠可靠地提取人體生理特征，并準確控制和接收實時用戶交互反饋。
值得注意的是，如今的電子皮膚界面還需要面對的一個問題是，還較缺乏可擴展的低成本制造薄型、超靈活、多功能的機器人物理化學傳感器貼片方法。
M-Bot 由兩個可拉伸輕薄電子皮膚貼片組成，即 E-skin-R（與機器人皮膚接口）和 E-skin-H（與人體皮膚接口），并具有強大的理化傳感能力，能大規模生產且可重構。
它可通過高速、低成本和可擴展的噴墨打印技術以及一系列定制開發的納米材料墨水進行快速低價制備。
圖 | E-skin-R 上全噴墨打印的多模態傳感器陣列（來源：Science Robotics）
定制開發的功能納米材料油墨經過設計和優化，可針對特定危險目標分析物實現高靈敏度和選擇性傳感器。水凝膠涂層的印刷納米生物傳感器，允許在機器人平臺上進行有效的干相化學采樣和快速現場危害分析。
M-Bot 的威脅感知能力可以為自動化化學傳感鋪平道路，并為各種實用的機器人輔助應用提供機器介導的決策。
實現高速、無線和同步多通道物理化學傳感的全系統集成是未來現場部署和評估的關鍵需求。M-Bot 所代表的人機交互機器人傳感技術，為開發先進柔軟電子皮膚提供了一種從人體和周圍環境中收集重要數據的有效方法。
最后，于游表示，通過集成高密度和新型多模態傳感器，該技術還能較方便地重新配置實施到眾多可穿戴設備和機器人應用中，并在未來智能機器人系統設計中發揮關鍵作用，比如大大提高其環境感知能力。
圖 | 于游（來源：于游個人主頁）
據了解，于游在 2017 年從中國科學院長春應用化學研究所博士畢業后，前往美國加州理工學院醫學工程系從事博士后研究，并于近期回國加入上?？萍即髮W生物醫學工程學院，主要致力于柔性生物電子和醫療機器人的相關研究。
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參考：
1、Y.Yu,J.Li,S.Solomon,et al.All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing.Science Robotics7（2022）.
DOI: 10.1126/scirobotics.abn0495
