液態(tài)金屬傳感器和人工智能可以幫助假手感覺

每個指尖有 3,000 多個觸摸感受器，它們在很大程度上對壓力做出反應(yīng)。人類在操縱物體時非常依賴指尖的感覺。缺乏這種感覺對上肢截肢者來說是一個獨特的挑戰(zhàn)。雖然今天有幾種高科技、靈巧的假肢可用，但它們都缺乏“觸摸”的感覺。缺少這種感覺反饋會導(dǎo)致物體無意中被假手掉落或壓碎。

為了實現(xiàn)更自然的假手界面感覺，佛羅里達大西洋大學(xué)工程與計算機科學(xué)學(xué)院的研究人員及其合作者率先在假手的指尖上使用液態(tài)金屬將可拉伸的觸覺傳感器結(jié)合在一起。該技術(shù)封裝在有機硅彈性體中，與傳統(tǒng)傳感器相比具有關(guān)鍵優(yōu)勢，包括高導(dǎo)電性、順應(yīng)性、柔韌性和可拉伸性。這種分層的多指觸覺集成可以為人工手提供更高水平的智能。

對于這項發(fā)表在《傳感器》雜志上的研究，研究人員使用假肢上的單個指尖來區(qū)分沿不同紋理表面滑動的不同速度。四種不同的紋理有一個可變參數(shù)：脊之間的距離。為了檢測紋理和速度，研究人員訓(xùn)練了四種機器學(xué)習(xí)算法。對于十個表面中的每一個，收集了 20 次試驗以測試機器學(xué)習(xí)算法區(qū)分由隨機生成的四種不同紋理排列組成的十種不同復(fù)雜表面的能力。

結(jié)果表明，來自四個假手指尖上的液態(tài)金屬傳感器的觸覺信息的整合同時區(qū)分了復(fù)雜的多紋理表面——展示了一種新的層次智能形式。機器學(xué)習(xí)算法能夠以高精度區(qū)分每個手指的所有速度。這項新技術(shù)可以改善對假手的控制，并提供觸覺反饋，通常稱為觸覺體驗，讓截肢者重新連接以前切斷的觸覺。

“已經(jīng)對用于人工手的觸覺傳感器進行了大量研究，但仍然需要在輕型、低成本、堅固的多模態(tài)觸覺傳感器方面取得進展，”資深作者、副教授 Erik Engeberg 博士說。海洋與機械工程系以及 FAU Stiles-Nicholson 腦研究所和 FAU 傳感與嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程研究所 (I-SENSE) 的成員，他與第一作者和博士一起進行了這項研究。學(xué)生 Moaed A. Abd。“在我們的研究中，來自所有單個指尖的觸覺信息為更高的手部感知水平奠定了基礎(chǔ)，能夠區(qū)分十個復(fù)雜的、多紋理的表面，而使用來自單個指尖的純粹局部信息是不可能做到的。

研究人員比較了四種不同機器學(xué)習(xí)算法的成功分類能力：K-最近鄰 (KNN)、支持向量機 (SVM)、隨機森林 (RF) 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (NN)。提取液態(tài)金屬傳感器的時頻特征來訓(xùn)練和測試機器學(xué)習(xí)算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常在使用單個手指的速度和紋理檢測方面表現(xiàn)最好，并且使用四個手指同時使用四個液態(tài)金屬傳感器區(qū)分十個不同的多紋理表面的準(zhǔn)確度為 99.2%。

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