近日，清華大學精密儀器系朱榮教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了題為“An ultralight, tiny, flexible six-axis force/torque sensor enables dexterous fingertip manipulations”的研究論文。報道一種超輕 (0.30 g)、超小 (指尖大小)的柔性六維力/力矩傳感器，將傳感器用于指尖的靈巧操作，實現多維、多任務的操控以及人機協同，顯著提高智能機器人、家庭服務等領域的操控靈巧性。
技術簡介 人類利用手指可以完成快速、穩健且靈活的操作任務，指尖被認為是極其敏感的部位，能夠快速進行按壓、滾動和滑動等動作。指尖上的多維力/力矩感知能夠為人類或機器人提供強大的操作能力，即使對于行動不便的人群，如殘疾人和老年人，也能通過指尖操控，靈巧地控制輪椅等生活設施。智能機器人對于多維力/力矩感知的需求尤為迫切，機器人在完成靈巧操作比如開瓶蓋時，不僅需要法向力的感知，還需要切向力的感知。當前的六維力/力矩傳感器存在著結構復雜、加工工藝繁瑣、體積較大、柔性程度不足等問題，限制了六維力/力矩傳感器的廣泛應用，尤其是在指尖靈巧操作上的應用。 針對以上問題，清華大學精儀系朱榮教授團隊提出了一種結構簡單、體積小（指尖大小）、重量輕（0.30 g）的柔性六維力/力矩傳感器。該傳感器利用疊層分布的薄膜熱敏電阻來感知柔性壓熱材料的空間應變，實現六維力/力矩的寬量程、高精度的柔性感知。團隊將傳感器用于機器人靈巧手的指端，實現對物品的精細操作，并將傳感器用于人類指尖，可以實現靈巧地多維、多任務操作，例如行動不便的殘疾人和老年人，可以通過指尖操作實現遠程遙控、人機協作的物品抓取及收納等復雜家政任務。 圖1. 超輕、超小的柔性六維力/力矩傳感器及其靈巧操作應用 技術先進性 柔性傳感器采用緊湊的疊層設計，柔性壓熱材料的上層和下層分布有薄膜熱敏電阻，在六維力/力矩作用下，柔性壓熱材料產生空間應變，被分布于上層和下層的薄膜熱敏電阻檢測。由此，利用簡單的熱敏檢測結合壓熱效應，即可感知空間應變，最終實現六維力/力矩的精準感知。該傳感器結構簡單、體積小、重量輕，六維力/力矩的法向力(Fz)、切向力(Fx和Fy)、力矩(Mx和My)和扭矩(Mz)的量程分別為15N，-5~5 N, -60~60 mN·m和-20~20 mN·m，均方根誤差(RMSE)分別為0.18 N, 0.15 N, 0.18 N, 0.58 mN·m, 0.62 mN·m, 0.26 mN·m，柔性傳感器通過了十萬次重復性測試仍然保持穩定，且不受環境溫度和濕度的影響，該傳感器具有寬量程、高精度、高可靠性與高穩定性的優勢（圖2）。 技術應用 多維力傳感器可安置于機器人的靈巧手指尖，傳感器幫助機器人實現了藥瓶安全鎖瓶蓋開啟過程的多維力感知（圖3），從而協助機器人靈巧操作各類物品。多維力/力矩傳感器用于人手的指尖，通過手指的輕輕觸碰，即可實現虛擬游戲中多維運動、多項任務的快速、精準操控，大幅提高了游戲操控的快速性、靈活性和準確性，顛覆了傳統游戲遙桿和游戲鍵盤操作不靈活的局限。 圖3. 六維力/力矩傳感器用于機器人手，開啟帶安全鎖的瓶蓋；用于人手指尖，快速、靈巧地操控游戲的多維運動和多項任務 六維力/力矩傳感器還可用于行動不便的殘疾人或老年人的遙操作，將傳感器放于人手指尖，通過輕輕地指尖觸碰，即可實現對智能機器人的機械臂和機械手的多維運動操控，由此，可以利用簡單靈活的指尖操控，實現對智能機器人的完全控制，可操控機器人完成物品的拾取、收納和搬運，進一步完成家政服務（圖4）。 圖4. 六維力/力矩傳感器助力人手，通過指尖輕觸，控制機器人完成家政服務 該研究成果不僅大幅提升了柔性六維力/力矩傳感器的功能和性能，還極大地增強了指尖靈巧操作的能力。隨著技術不斷成熟和完善，該柔性六維力/力矩傳感器有望在更多領域發揮重要作用，推動智能機器人、工業制造、家庭服務、助老助殘等領域的長足發展。 成本與制造優勢：簡單工藝（如橡膠壓熱材料層壓）降低生產復雜度，觸覺傳感手指成本百元級，遠低于進口產品，利于大規模量產。 市場定位精準：目標用戶為科研單位、人形機器人企業（如家庭機器人安全防護）、靈巧手夾爪企業，預計2025年底實現產品化。 產業鏈整合：結合視觸融合解決方案，擴展至工業產線機器人，提升商業化彈性。 該研究的完成單位為清華大學精密儀器系、精密測試技術與儀器全國重點實驗室，精儀系2021級博士研究生毛騫為論文的第一作者，通訊作者為精儀系朱榮教授，其他作者還包括精儀系博士研究生廖子健、助理教授柳世強、博士后袁錦烽。本研究受到北京市自然科學基金順義創新聯合基金項目、國家自然科學基金項目的支持。