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  多模態(tài)觸覺感知通過模擬人類皮膚的多元感知功能，使智能系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確解析復(fù)雜環(huán)境信息，在仿生假肢、可穿戴健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。雖然當(dāng)前多模態(tài)觸覺系統(tǒng)在檢測(cè)模態(tài)多樣化（溫度、形變、壓力、接近度等）和功能特性增強(qiáng)（自修復(fù)、自供能等）等方面取得重要進(jìn)展，但現(xiàn)有系統(tǒng)仍面臨解耦范圍不足的問題，這主要受限于兩大關(guān)鍵因素：1）傳感器件的感知性能不足；2）傳感器件的解耦策略局限。

  針對(duì)上述問題，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院楊賡課題組提出了一種機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的模塊化離子皮膚，通過傳感材料和解耦策略的協(xié)同優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了寬譜多模態(tài)解耦。國際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》以“Machine Learning-Enhanced Modular Ionic Skin for Broad-Spectrum Multimodal Discriminability in Bidirectional Human–Robot Interaction”為題報(bào)道了該項(xiàng)成果。楊倩倩博士為論文第一作者，楊賡研究員和徐凱臣研究員為論文通訊作者，均來自楊華勇院士團(tuán)隊(duì)。本研究工作得到中國電子學(xué)會(huì)-騰訊RoboticsX犀牛鳥專項(xiàng)研究計(jì)劃、東方電氣集團(tuán)-浙江大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)新研究院的資助，國家自然科學(xué)基金(No. 52375031, 52475610)、浙江省自然科學(xué)基金(LDQ24E050001)、浙江省科技廳“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃（No. 2023C01045, 2023C03007）、浙江省科技廳“尖兵領(lǐng)雁+X”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃（No. 2024C04057(CSJ)）的支持。

1.研究背景及意義

  多模態(tài)觸覺感知通過模擬人類皮膚的多元感知功能，為智能系統(tǒng)解析復(fù)雜環(huán)境信號(hào)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。雖然當(dāng)前多模態(tài)觸覺系統(tǒng)在模態(tài)數(shù)量與功能集成方面取得顯著進(jìn)展，但其解耦感知范圍受限仍是亟待突破的瓶頸問題。現(xiàn)有拓寬解耦范圍的研究主要沿兩個(gè)獨(dú)立方向展開：感知性能提升與解耦策略開發(fā)。在感知性能增強(qiáng)方面，主流方法包括：（1）新型功能材料開發(fā)；（2）表面微結(jié)構(gòu)工程。盡管這些方法可顯著改善器件性能，但復(fù)雜的制備工藝及較差的機(jī)械/界面穩(wěn)定性制約了其實(shí)際應(yīng)用。相比之下，通過材料組分調(diào)控實(shí)現(xiàn)多模態(tài)性能優(yōu)化的策略雖具有工藝簡(jiǎn)便、參數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，卻鮮見系統(tǒng)研究。解耦策略研究主要聚焦三類方法：（1）選擇性傳感材料設(shè)計(jì)；（2）抗干擾器件架構(gòu)；（3）數(shù)學(xué)建模解耦。然而，這些方法通常僅適用于特定信號(hào)關(guān)系或有限傳感范圍，難以實(shí)現(xiàn)廣譜解耦。與基于先驗(yàn)條件的傳統(tǒng)解耦方法相比，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略更能適應(yīng)模態(tài)間的復(fù)雜非線性耦合，展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，拓寬解耦范圍本質(zhì)上需要感知性能與解耦策略的系統(tǒng)級(jí)協(xié)同優(yōu)化，但現(xiàn)有研究尚未建立有效的協(xié)同優(yōu)化機(jī)制。

  針對(duì)這一研究空白，本研究開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的多模態(tài)模塊化離子皮膚系統(tǒng)。通過傳感材料與解耦算法的協(xié)同優(yōu)化，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寬譜多模態(tài)信號(hào)的高效解耦。如圖1a所示，該系統(tǒng)具有優(yōu)異的可配置性，可模塊化集成于手勢(shì)識(shí)別可穿戴手部套件和機(jī)器人觸覺感知夾爪套件。系統(tǒng)架構(gòu)（圖1b）包含三類優(yōu)化設(shè)計(jì)的離子導(dǎo)體模塊：溫度感知模塊（TSC）、應(yīng)變感知模塊（SSC）和壓力感知模塊（PSC），展現(xiàn)出卓越的三模態(tài)感知性能。為解決傳統(tǒng)離子皮膚的熱耦合難題，他們采用長(zhǎng)短期記憶（LSTM）網(wǎng)絡(luò)算法，通過定制化多模態(tài)耦合數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，創(chuàng)新性地構(gòu)建了高效的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦模型（圖1c）。這種模塊化離子皮膚與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦模型的有機(jī)結(jié)合，形成了一套完整的器件-算法協(xié)同優(yōu)化方案（圖1d）。為量化評(píng)估系統(tǒng)性能，本研究首次提出"解耦感知長(zhǎng)度"評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖1e）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該指標(biāo)較15種現(xiàn)有多模態(tài)系統(tǒng)提升顯著，充分驗(yàn)證了協(xié)同優(yōu)化策略在拓展多模態(tài)解耦范圍方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖1. 機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的模塊化離子皮膚實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的寬譜多模態(tài)解耦

2. 討論

2.1. 一維、二維和三維離子導(dǎo)體的制備與優(yōu)化

  圖2展示了一維離子導(dǎo)體（1D-IC）、二維離子導(dǎo)體（2D-IC）和三維離子導(dǎo)體（3D-IC）的制備與表征結(jié)果。圖2a展示了通過磁力攪拌制備均質(zhì)離子凝膠溶液，并采用三種不同工藝獲得相應(yīng)導(dǎo)體：熱固化制備的1D-IC呈現(xiàn)硬段聚集相結(jié)構(gòu)；熱固化結(jié)合雙向拉伸制備的2D-IC顯示硬段斷裂特征；濕化工藝制備的3D-IC則實(shí)現(xiàn)硬段消除結(jié)構(gòu)。圖2b展示了三類導(dǎo)體的實(shí)物形貌對(duì)比。微觀結(jié)構(gòu)表征顯示，3D-IC的SEM圖像（圖2c）證實(shí)溶劑含量對(duì)其形貌的調(diào)控作用。力學(xué)性能測(cè)試表明，2D-IC展現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能（圖2d），而3D-IC則表現(xiàn)出良好的壓縮特性（圖2e）。拉曼光譜分析（圖2f）在2800-3800 cm?1范圍內(nèi)觀察到C-H和N-H伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度從一維離子導(dǎo)體到三維離子導(dǎo)體逐漸降低。功能測(cè)試結(jié)果顯示，不同原料配比的1D-IC在10-160℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出溫度響應(yīng)特性（圖2g），其分段線性溫度系數(shù)在10-20℃范圍呈現(xiàn)最低值（圖2h）；2D-IC通過雙向拉伸處理提升了應(yīng)變系數(shù)（圖2i），且應(yīng)變感知性能可通過配比優(yōu)化（圖2j）；3D-IC的壓容響應(yīng)能力與溶劑含量密切相關(guān)（圖2k），同時(shí)展現(xiàn)出良好的機(jī)械耐久性（圖2l）。

圖2. 一維、二維及三維離子導(dǎo)體的制備與優(yōu)化

2.2. 三模態(tài)感知模塊的設(shè)計(jì)與表征

  TSC、SSC和PSC分別基于1D-IC、2D-IC和3D-IC材料構(gòu)建，其TPU:IL:DMAC配比分別為1:3:4、1:1:4和1:1:7。圖3a展示了三模態(tài)感知模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3b詳細(xì)闡明了TSC、SSC和PSC三種模塊的工作原理。針對(duì)PSC模塊，圖3c通過力學(xué)仿真驗(yàn)證了蛇形網(wǎng)絡(luò)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。性能測(cè)試結(jié)果顯示：TSC模塊在10-160°C范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的電阻響應(yīng)（圖3d），并在14-116°C溫度循環(huán)17小時(shí)后仍保持正常工作（圖3e）；SSC模塊的五個(gè)樣品在0-50%應(yīng)變范圍內(nèi)呈現(xiàn)高度一致的電阻響應(yīng)（圖3f）；PSC模塊在0-1300kPa范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的電容變化特性（圖3g），并在動(dòng)態(tài)循環(huán)加載下保持穩(wěn)定響應(yīng)（圖3h）。此外，圖3i證實(shí)PSC模塊的蛇形網(wǎng)絡(luò)電極設(shè)計(jì)不僅提升了機(jī)械耐久性，還具備優(yōu)異的損傷容錯(cuò)能力。

圖3. 三模態(tài)感知模塊的設(shè)計(jì)與表征

2.3. 模塊化離子皮膚的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦策略

  圖4展示了多模態(tài)感知中的熱耦合現(xiàn)象及其解耦方案。圖4a揭示了SSC和PSC模塊存在的熱耦合效應(yīng)：SSC模塊電阻隨溫度升高而降低，而PSC模塊電容則隨之增大。為消除溫度干擾，本研究設(shè)計(jì)了專用解耦模型并構(gòu)建了多模態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集（圖4b-4d）。提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦模型（圖4e）包含三個(gè)獨(dú)立子模型，分別針對(duì)TSC、SSC和PSC模塊。性能評(píng)估顯示：1）解耦范圍方面，相比15項(xiàng)現(xiàn)有研究，本方案實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的溫度解耦范圍（ΔT=100°C）和壓力解耦范圍（ΔP=400kPa），以及中等的應(yīng)變解耦范圍（Δε=30%）（圖4f）；2）預(yù)測(cè)精度方面，模型對(duì)溫度、應(yīng)變和壓力的相對(duì)預(yù)測(cè)誤差分別小于5.8%、15.0%和7.0%（圖4g）；3）實(shí)時(shí)性能方面，325秒連續(xù)測(cè)試中溫度預(yù)測(cè)誤差<1°C，應(yīng)變和壓力預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值高度吻合（圖4h-4j）。此外，圖4k-4m展示了三個(gè)子模型的算法優(yōu)選過程。

圖4. 基于多刺激數(shù)據(jù)集和LSTM算法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦策略

2.4. 模塊化離子皮膚應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)

  圖5展示了基于離子導(dǎo)體的多模態(tài)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1D-IC、2D-IC和3D-IC分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、應(yīng)變和壓力的靈敏響應(yīng)（圖5a），成功應(yīng)用于表皮溫度、腕部角度和脈搏速率監(jiān)測(cè)。具體而言：2D-IC應(yīng)變傳感器可準(zhǔn)確識(shí)別不同腕部彎曲角度（圖5b）；3D-IC壓力傳感器能可靠檢測(cè)脈搏信號(hào)并計(jì)算脈搏頻率（圖5c）；1D-IC溫度傳感器不僅能監(jiān)測(cè)環(huán)境氣流引起的皮膚溫度變化（圖5d），還可追蹤受試者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（騎行/靜息）下的體溫波動(dòng)（圖5e），同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的抗彎曲干擾能力（圖5f）。此外，開發(fā)的集成化雙模態(tài)腕帶（圖5g-5i）結(jié)合TSC和SSC模塊，在解耦模型輔助下實(shí)現(xiàn)了手腕溫度和角度的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。

圖5. 一維二維/三維離子導(dǎo)體應(yīng)用于人體健康監(jiān)測(cè)

2.5. 模塊化離子皮膚應(yīng)用于機(jī)器人控制

  圖6展示了模塊化離子皮膚在機(jī)器人控制中的應(yīng)用。基于可穿戴手部套件的系統(tǒng)（圖6a）成功實(shí)現(xiàn)了變溫環(huán)境下的機(jī)器人雞蛋抓取任務(wù)，圖6b詳細(xì)展示了操作過程中的關(guān)鍵步驟以及五個(gè)關(guān)鍵檢測(cè)量的實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。解耦模型效能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明：在無解耦模型條件下（圖6c），手腕彎曲預(yù)測(cè)值受溫度降低干擾，導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)抓取力過大和釋放開合度不足的問題；而采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦模型后（圖6d），系統(tǒng)能有效抑制溫度干擾，實(shí)現(xiàn)精確的抓取力控制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)了解耦模型在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。

圖6. 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的可穿戴手部套件應(yīng)用于機(jī)器人控制

2.6. 模塊化離子皮膚應(yīng)用于機(jī)器人感知反饋

  圖7展示了基于模塊化離子皮膚的機(jī)器人夾爪感知系統(tǒng)。為評(píng)估系統(tǒng)精度，將模型預(yù)測(cè)值與商用傳感器進(jìn)行對(duì)比（圖7a）。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示（圖7b）：溫度預(yù)測(cè)均值23.6℃（實(shí)測(cè)22.2℃），壓力預(yù)測(cè)峰值分別為10.2kPa、20.3kPa、44.7kPa和82.6kPa（對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)值7.6kPa、23.1kPa、46.9kPa和77.7kPa），表明系統(tǒng)具有可靠的雙模態(tài)預(yù)測(cè)能力。集成演示中（圖7c），配備溫度/壓力感知模塊的機(jī)械夾爪成功完成倒水任務(wù)（圖7d），執(zhí)行過程中各傳感參數(shù)變化曲線（圖7e）準(zhǔn)確反映了機(jī)器人與環(huán)境的交互狀態(tài)，驗(yàn)證了該感知系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

圖7. 機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的機(jī)器人夾爪套件應(yīng)用于機(jī)器人感知

3. 總結(jié)

  本研究提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的模塊化離子皮膚系統(tǒng)，通過材料與算法的協(xié)同優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了寬譜多模態(tài)信號(hào)解耦。在材料設(shè)計(jì)方面，通過精準(zhǔn)調(diào)控聚合物硬段結(jié)構(gòu)，成功開發(fā)了三種功能化離子導(dǎo)體：1D-IC具有-4.00%·℃?1（10-160℃）的超低溫度系數(shù)，2D-IC展現(xiàn)2.95（0-100%）的線性應(yīng)變響應(yīng)，3D-IC則實(shí)現(xiàn)80.5 kPa?1（0-1.3 MPa）的高壓力靈敏度。基于這三種離子導(dǎo)體構(gòu)建的多模態(tài)感知模塊展現(xiàn)出卓越的傳感性能。在算法層面，創(chuàng)新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解耦模型有效建立了多模態(tài)刺激與響應(yīng)間的非線性映射，實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力信號(hào)的最大解耦范圍（預(yù)測(cè)誤差≤7.0%），同時(shí)保持應(yīng)變檢測(cè)的抗溫度干擾能力。系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)表明，以"解耦感知長(zhǎng)度"為指標(biāo)，本方案較現(xiàn)有15種系統(tǒng)提升顯著。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證包括：1）健康監(jiān)測(cè)（表皮溫度、腕部角度和脈搏信號(hào)檢測(cè)）；2）人機(jī)交互（可穿戴手部控制套件和機(jī)器人夾爪系統(tǒng)）。這些成果充分展示了該系統(tǒng)在智能感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

  原文鏈接（可免費(fèi)下載）：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508795