港科大(广州)訾云龙教授团队研究登上《Advanced Materials》:让机器人拥有人类的精细触觉

指尖轻轻一触，你就能分辨出苹果的爽脆、面包的松软，或是丝绸的细腻——这看似简单的感知，却是人类皮肤数百万年进化的精妙之作——人类指尖每平方厘米分布着约240个触觉感受器，能同时捕捉压力、纹理、软硬等多维信息并瞬间传递给大脑，形成精准的“触觉画像”。

如果为机器人赋予这样的“指尖触觉”，甚至更敏锐的感知，世界会怎样？想象一下：在水果店，它是轻轻一碰，就能为你挑选出那颗熟度完美水果的“魔杖”；在医院，它是能通过组织硬度的细微差异，在肉眼或内窥镜都无法“看到”的时候，为“未发之疾、初起之症”进行早期诊断的“金手指”；在博物馆或拍卖会上，它是凭借对材质与微痕的精准感知，辅助鉴定文物、艺术品真伪的“时空触手”……

一项来自香港科技大学（广州）的突破性研究，正尝试将这份“指尖智慧”变成现实。近日，港科大（广州）功能枢纽可持续能源与环境学域訾云龙教授团队在国际顶尖期刊《Advanced Materials》上发表了最新研究成果，其团队成功研制出亚毫米级分辨率的双模态触觉传感器阵列。该技术首次实现了对物体表面软硬度分布的精细触觉感知，使机器人系统获得了接近人类指尖皮肤的感知与辨析能力。

“人类通过五感认知世界，机器要走向真正的智能，也需要模拟这些感官。”訾云龙说，“目前，仿生视觉和听觉已相当成熟，但触觉的精细复现，仍是亟待突破的‘深水区’。”

自港科大（广州）成立之初，訾云龙团队便启动了这项仿生触觉研究

现有触觉传感器长期面临一个困境：高分辨率与多模态感知难以兼得。高分辨率传感器往往只能测量单一信息（如压力），而多模态传感器又常因结构复杂导致尺寸偏大、精度受限。此外，基于压电、摩擦电等自供电机理的传感器，信号串扰严重，阻碍了信息的精准解码。

团队决心攻克这一瓶颈。“机器人看到一个苹果并抓取，但它抓回的可能是塑料模型。”訾云龙举了一个生动例子，“真苹果含水，质地与塑料苹果不同；生香蕉与熟透的香蕉，软硬也天差地别。”因此，他们选择从“软硬度”这一关键物理属性切入，为机器人增添一个辨别真伪、判断品质的全新感知维度。

自港科大（广州）成立之初，訾云龙团队便启动了这项仿生触觉研究，至今已历时三年半,来自港科大（广州）的博士生何少帅是团队主力的研究者之一。

团队从昆虫触觉感受器（钟型感受器）的结构中获得灵感，提出了一种双模态智能触觉传感器（bimodal intelligent tactile sensor, BITS），其基于摩擦电效应，在自供能的条件下，同时实现材料种类、材料柔软度识别和量化弹性模量。该传感器设计为半球顶的结构，利用与不同柔软度物体的接触面积不同而产生的电压信号幅度不同，结合力学赫兹接触理论（Hertz contact model），可以实现材料柔软度识别和量化弹性模量。

2024年7月，该研究曾以“Biomimetic bimodal haptic perception using triboelectric effect”为题发表在《Science Advances》上。

然而，訾云龙教授团队并未止步于此。此前在《Science Advances》上发表的成果，虽已实现了材料种类识别率99.4%、材料软硬度识别率100%的准确率，并制作出单个触感器在5毫米级的阵列集成，但团队清醒地意识到：要赋予机器人真正灵巧的“智能指尖”，必须在传感器的微型化与集成度上继续突破。

“指纹的间距大约在一毫米以内。触感器要做到这个尺度以内，才能感知如指纹般精细的纹理。”訾云龙指出。这意味着，研究需进一步迈向亚毫米级的阵列集成，让机器人不仅能判断软硬，更能“触摸”到物体表面的微观纹理与图案。

“在港科大（广州），我们不仅要以科学家思维发现问题、提供解决方案，更要以工程师思维交付‘实际可用的样品’，让科研与工程贯通，才能让实验室研究走向真实的应用场景。”訾云龙说。

然而，尺寸每缩小一步，工艺难度便呈指数级增长。“制备工艺是最大的困难。”何少帅坦言。这个传感器阵列需要做到“平面与曲面的精密结合”，团队需要将上百个微米级的“小手指”（传感单元）排列整齐，每个单元都要独立连接压电与摩擦电两层信号线，总计两百余根导线，且绝不能互相串扰。“这就像在一个极小面积内进行超精密的‘布线手术’。”何少帅说。

材料选择与工艺调试更是犹如迷宫。仅为了找到适合制造微柱阵列基底的材料，团队就迭代了十几种配方，从热固化到光固化，经历了上百次失败。

是什么支撑团队走过反复试错？訾云龙认为，关键在于“看到希望的微光”。“哪怕最初只能手搓出一个粗糙的样品，但只要核心功能被验证可行，后面的路就是不断优化。” 他表示，导师的作用之一，是帮助学生判断某个难点是“可攻克的技术挑战”，还是“必须绕行的理论死胡同”，从而培养学生的风险判断与科研管理能力。

港科大（广州）跨学科的环境为这场精密攻坚提供了关键支撑。“学校的优势在于，不同领域的师生很自然地交流协作，学科壁垒被主动打破。”訾云龙说。这促使团队跳出单一领域的思维定式——不再局限于研发更高灵敏度的新材料，而是通过融合学科视角，系统性破解集成难题。

“学校倡导的融合学科理念、充足的资金支持和共享实验室资源，为我们的研究提供了坚实的基石。”何少帅补充道。团队虽然大多只是材料学背景，但通过大学跨学科学习与协作，他们补全了微电子等相关知识，并与人工智能、智能制造等学域的师生紧密合作，不断优化传感器设计，逐步实现了从宏观器件到微米级器件的跨越。

研究团队完成了亚毫米级分辨率双模态智能触觉传感器的关键跨越

最终，通过将皮秒紫外激光精密加工与高精度3D打印等尖端制造技术进行创新融合，并攻克了相应的工艺集成难题，团队成功实现了触感器单元的微型化，将单个触感器尺寸从此前的5毫米缩小至0.35毫米，完成了亚毫米级分辨率双模态智能触觉传感器的关键跨越。

性能的稳定与提升，为技术转化铺平了道路。这项兼具“亚毫米级分辨率”与“双模态感知”的技术，打开了极具想象力的应用空间。

最直接的应用是高安全性产品的溯源与防伪。“我们可以在产品表面，用肉眼乃至光学设备都无法识别的微小软硬度差异，制作一个独特的‘物理指纹’。”訾云龙描述道，“专用设备或机器人一摸，便能读取信息，实现极难仿造的真伪验证。”

在智能家居与工业分拣中，机器人将能真正实现“择优而取”——从一堆水果中精准挑出成熟度最佳的一颗，或在一批外观相同的物品中识别并抓取特定目标。

医疗健康是另一个充满前景的方向。如果将其应用于内窥镜，通过感知身体内部组织硬度的细微差异，可为早期诊断提供触觉线索。

訾云龙教授（右二）和团队成员

对于应用前景，团队保持着开放而务实的态度：“有的方向非常契合，有的则是技术原理的有趣延伸。这也恰恰说明，精细触觉感知蕴藏着无限可能。”

面对未来，团队方向清晰。訾云龙透露，下一步，基础研究将继续向感知滑动、三维力等更复杂的触觉维度深化；而技术转化，则会秉持开放心态，积极寻求与产业界的合作契机。

“现在正是带着我们‘能做什么’的明确答案，去与市场对话的好时机了。”