在探索機器與人類環境互動的新邊界中，科學家正致力于賦予機器人更加細膩且復雜的觸覺感知能力。這一愿景的實現，關鍵在于開發能夠模擬人類皮膚柔軟與敏感特性的觸覺傳感器。想象一下，一個機器人能夠輕柔而穩定地握持一顆脆弱的雞蛋，這背后便是柔性觸覺傳感器技術的最新突破。
當前，柔性觸覺傳感器領域涌現出多種創新設計，其中包括視觸覺傳感器和基于壓阻或電容的傳感器陣列。視觸覺傳感器以其高分辨率的觸覺圖像輸出，在科研領域廣受歡迎；而壓阻或電容式傳感器則因其易于制造并能檢測壓力分布的特點，得到了廣泛應用。然而，這些傳感器在實現三維力的精確解耦方面仍面臨挑戰，復雜的結構和繁瑣的校準過程限制了它們的普及。
為了克服這一難題，法國國家科學研究中心（CNRS）與香港大學的科研團隊聯手，提出了一種基于柔性磁膜的觸覺傳感器，該傳感器能夠實現三維力的自我解耦。通過設計獨特的正交磁化Halbach陣列，研究團隊成功地將標定復雜度從三次方降低到一次方，不僅極大地簡化了傳感器結構，還優化了標定流程，為低成本的三維力觸覺傳感開辟了新途徑。
這款觸覺傳感器的核心結構由三層組成：頂部是柔性磁膜，中間是彈性硅膠層，底部則裝有帶有霍爾傳感器的PCB電路板。當外力作用于磁膜時，磁膜與霍爾傳感器之間的距離變化，導致測得的磁場強度及方向改變。通過解耦算法，這些三維磁場信息能夠被轉換成三維力信息，實現力的精確感知。
研究團隊利用Halbach陣列的二維自解耦特性，通過正交疊加兩個正弦磁化的Halbach陣列磁場，將二維自解耦特性推廣到三維空間。實驗結果顯示，磁場在簡化前后的歸一化絕對誤差保持在較低水平，驗證了三維力自解耦方法的可行性。
為了驗證這一創新技術的實際應用潛力，研究團隊設計了三款具有不同特性的觸覺傳感器，并應用于兩個場景：一是測量人工膝關節處的三維力分布，二是基于觸覺的機器人咖啡制作教學。在人工膝關節實驗中，觸覺傳感器提供了精確的三維力分布測量，與標準傳感器的數據高度一致。而在咖啡制作教學中，研究團隊通過觸覺傳感器陣列與機械臂的結合，實現了通過直接觸摸進行機器人動作編程，提供了一種更加直觀和簡單的機器人教學方式。
研究團隊還展示了柔性PCB基底觸覺傳感器在可穿戴設備中的應用潛力，通過監測膝蓋支架與腿部的三維接觸力，為健康監測領域提供了新的解決方案。
這項研究成果不僅為柔性觸覺傳感器的發展帶來了新的突破，也為機器人技術、健康監測以及人機交互等領域帶來了深遠的影響。隨著技術的不斷成熟，我們有理由相信，未來的機器人將更加智能、靈活，與人類共同創造更加美好的世界。
