在智能机器人与人类的互动中，能够感知触觉的皮肤为实现自然且直观的交互提供了新的机会。近日，北京科技大学张跃院士和厦门大学廖新勤副教授、陈忠教授等人报道了一种类比生物基因表达调控的可变机器人皮肤。基于材料基因表达调制，均质材料基元的本征属性表现出高达100倍的差异性，从而便于按需重构以及诱导特定传感功能所需的最优属性组成。通过分层专门化制造与功能集成，可变机器人皮肤可用于触摸定位，手写识别以及动态触摸交互。相关研究成果以“Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation”为题，发表在国际顶尖学术期刊《Advanced Functional Materials》上。
机器人皮肤能够通过触摸感知周围环境，为人机交互中传递行为相关的感知信息提供了直观和自然的媒介。为了传递更真实的交互体验和更准确的交互意图，最大限度地还原天然皮肤的功能属性成为关键。在天然皮肤中，数量众多的感受器纵向层层分布，能够感知不同类型和程度的触摸刺激。此外，皮肤可以自我更新，保持长期的活力和敏感度。众多的多功能人工皮肤解决方案由于固定的材料属性，难免会出现不同功能属性间的性能折中以及性能退化。为了解决上述挑战，亟需开发一个可再生系统，以利用其可调属性并实现传感能力的定制。
在进化生物学中，生物组织的功能是由基因组成和环境共同决定的。相应的，材料属性则源于基元组成和序构方式。因此，材料属性的人工调制可以从遗传的角度来描述和增强。通过模仿这一原理，人工智能系统可以像乐高积木一样灵活地重新配置组件。水凝胶灵活的键合作用允许其重新排列聚集状态，并带来力学模量、粒子运动性和表面活性的变化。利用这种可调性，配置软物质的最佳制备参数有助于建立具有异质性能的均质体系。
3、触摸定位层利用了高稳定和低信号漂移的热诱导交联水凝胶，结合电极传感技术，实现了触摸位置的精准检测。该图展示了触觉定位层在不同条件下的快速响应特性（<10毫秒）和高精度定位能力（误差<3%），有效提升了在复杂触觉场景下的交互效率。
4、压力传感层利用了冷冻诱导交联水凝胶的高电导率和可压缩性，结合微结构的设计，实现了对触摸压力的高效感知。在触觉压力检测中达到了70倍的灵敏度提升，能够在压力变化的过程中保持信号稳定性，并在1000次的压力循环中保持出色的耐久性。结合算法，压力传感层不仅能够感知静态压力，还可以通过分析触觉动作的频率和强度信号，区分不同的触觉模式。
5、通过结合机器皮肤的触觉感知功能，验证机器人皮肤两种功能层的协同感知能力。协同机器人皮肤能够从用户的动作信号中提取复杂模式特征，实现对人类意图的精准识别。机器学习辅助下的系统可达到97.25%的识别准确率。这一系统展现了可变机器皮肤在交互场景中的高效信息处理和反馈能力，在教育娱乐、智能机器人和仿生义肢等领域具有潜在应用价值。
北京科技大学张跃院士、厦门大学廖新勤副教授和陈忠教授为论文的通讯作者，第一作者为厦门大学博士生于世凡，新坡南洋理工大学郑元谨教授（卓越集成电路设计中心主任）和北京科技大学廖庆亮教授（长江学者特聘教授、院长）提供重要支持帮助。研究工作得到了国家自然科学基金、福厦泉国家自主创新示范区合作项目、福建省自然科学基金和中央高校基本科研业务费等资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202416984
