新加坡国立大学创建了AiFoam，以使机器人与周围环境进行智能交互
来源：新加坡国立大学
AiFoam是由Benjamin Tee助理教授（左）领导的团队创建的。研究团队成员郭洪臣先生（右）正在拿着智能泡沫的样本。
随着人工智能的发展，机器人和机器变得越来越智能，但是它们仍然缺乏像人类一样能够触摸和感知其微妙而复杂的环境的能力。现在，新加坡国立大学（NUS）的研究人员发明了一种智能泡沫，它不仅可以给人以触觉效果，而且可以为机器提供更多的乐趣。
这种新材料被称为人工神经支配的泡沫，即AiFoam，它柔软并且像海绵一样，可以模仿人类的触觉，可以感应到附近的物体而没有真正的接触，并且可以在受损时自行修复。与其他传统材料相比，AiFoam是世界上第一个同时执行这些功能的智能泡沫，有可能使机器人变得更加智能和互动。这种突破性的材料是由国大材料科学与工程系助理教授本杰明·泰（Benjamin Tee）和健康创新与技术研究所（iHealthtech）领导的团队开发的，历时两年。
Tee教授说："我们希望证明有可能在机器人中复制人类的触觉，这为人与机器之间的交互作用开辟了新的范式，以供将来使用。"
该发明发表在《Nature Communications》上。
为机器人配备人类感官
人为的触摸感使人们能够在不熟悉的环境中操纵物体并有效地进行操作。当与人互动的机器具备此功能时，机器人运动就可以变得更加平稳，安全和可预测。
以清洁机器人和机器人服务员等机器为例。如果他们能够从远处检测到人类的存在并使用信息推断出人类的意图，那么他们可以更快地做出反应并避免与人发生碰撞，特别是在拥挤的地区。
尽管某些先进的电子皮肤在直接与物体接触时可以感知压力，但没人能感知相邻物体的运动方向，因为这需要更复杂的感知能力。NUS团队决定进行研究，以找到解决此技术难题的解决方案。
AiFoam：帮助机器人更好地响应其环境
低模量，弹性和自我修复的人工神经压力传感器。
左图AiFoam材料的机理示意图。聚合物链（蓝色曲线）通过DAP交联（黑色曲线），并被含氟表面活性剂（粉红色）包围，形成低模量基础弹性体。将具有表面纳米结构的微镍（μNi）颗粒（灰色颗粒）与弹性体混合以形成泡沫材料。聚合物链和表面活性剂分子之间的偶极-偶极相互作用将表面活性剂捕获在聚合物中，并使材料能够自我修复。AiFoam是通过在泡沫材料中嵌入三维电极以模仿人类皮肤的神经而制造的。右人工神经支配泡沫塑料的示意图（AiFoam）传感器（中间）模仿人体皮肤的体感神经支配系统（顶部）。
AiFoam是一种高弹性聚合物，是通过将类似于聚四氟乙烯的物质（称为氟聚合物）与可降低表面张力的表面活性剂混合而成的。结果是一种材料，当分成几块时，很容易融合成一件。然后，研究小组在材料中注入了微小的金属颗粒，这使泡沫能够感应人手指等电容性物体的存在。
NUS团队决定开发这种泡沫，因为与传统的薄片相比，它可以变得更加敏感。也可以通过改变空气与材料的比例来更好地控制泡沫的柔软度。与其他常用的电子皮肤材料（例如有机硅）相比，泡沫材料还使该材料能够更好地感知人的存在。实际上，AiFoam能够从几厘米远的地方检测到人类手指的存在。其独特的配方使其能够更有效地检测人的存在，这与其他接近传感器不同，后者通常利用光和反射来导致较高的假阳性或阴性率。
Tee助理教授说："通过使用我们特殊配方的泡沫，我们可以轻松地感知压力和接近度。"
为了模拟人类皮肤中敏感的神经末梢，研究人员在泡沫表面下方嵌入了细小的圆柱状电极。他们能够检测施加力的方向，而不仅仅是力的大小。这将使机器人能够更好地理解人的意图，或者知道接触的物体即将滑落，从而使它们可以更快，更适当地做出反应。
泡沫中的表面活性剂即使在切割后也能自愈，非常适合在假肢等应用中使用。可以将泡沫拉伸至其长度的两倍以上（230％）而不会破裂。为了修复伤口，研究人员在四天内将其加热到70摄氏度。该材料愈合了大约70％，并且仍可以拉伸到其长度的几乎两倍（180％）。
未来的应用
NUS团队正在探索与机器人公司的合作伙伴关系，并希望将AiFoam的使用范围扩展到机器人和假肢等领域，以实现人机之间更加无缝的交互。
电容式接近感应和电阻式压力感应：
a展示AiFoam传感器的接近感应和压力感应的照片。左蓝色LED激活，指示电路已打开。中间当人的手指接近传感器时，橙色LED点亮。右当手指触摸并按下传感器时，蓝色LED会变亮。b电容在手指和AiFoam传感器（含25％体积的Ni）之间的距离上的变化响应。误差线是根据三个测试计算得出的。C 0表示传感器的初始电容，C表示接近测试期间的传感器电容。d代表人的手指与AiFoam之间的距离。c AiFoam传感器（含25 vol％μNi）的外部压力下的电阻变化响应。R 0代表传感器的初始电阻，R代表压力测试期间传感器的电阻。
" AiFoam的自我修复特性以及对接触力的敏感性，将使机器人能够更好地判断人类的意图，并打造出新一代的机器人，能够对环境变化做出快速，有效的反应，"助理教授说。
参考信息： 人工神经支配的自修复泡沫作为合成压电阻抗传感器外壳。Nat Commun 11，5747（2020）。doi.org/10.1038/s41467-020-19531-0