傳感器疏察 被愚鈍的機(jī)器人“國(guó)產(chǎn)觸覺”

給一個(gè)壓力，還一個(gè)電信號(hào)。觸覺傳感器的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)變就能讓真實(shí)世界以“二進(jìn)制”的方式傳給機(jī)器人。

“一點(diǎn)點(diǎn)壓力就能產(chǎn)生匹配的電流。”在加了形容詞后，這個(gè)轉(zhuǎn)變困難了一些，西北工業(yè)大學(xué)副教授楊鵬飛解釋，要靈敏地捕捉到“一點(diǎn)點(diǎn)”的輸入，并給出嚴(yán)格匹配的輸出。

“需要穩(wěn)定、精確的輸出，并且消除不同‘維’間的耦合干擾。”東南大學(xué)教授宋愛國(guó)的進(jìn)一步闡釋意味著這種轉(zhuǎn)變難上加難。

這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，讓巴掌大小的日本陣列式產(chǎn)品即便賣到10萬(wàn)元，也能在科研和產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)占盡先機(jī)。“靠進(jìn)口”是科技日?qǐng)?bào)記者日前多方調(diào)查該產(chǎn)品消費(fèi)者的一致答案。

行業(yè)內(nèi)，工藝不過(guò)關(guān)

精確、穩(wěn)定的嚴(yán)苛要求，攔住了我國(guó)大部分企業(yè)向觸覺傳感器邁進(jìn)的步伐，目前國(guó)內(nèi)傳感器企業(yè)大多從事氣體、溫度等類型傳感器的生產(chǎn)。在一個(gè)有著100多家企業(yè)的行業(yè)中，幾乎沒有傳感器制造商進(jìn)行觸覺傳感器的生產(chǎn)。

“我們?cè)猩钲诘囊患移髽I(yè)制作陣列式觸覺傳感器，但因?yàn)楣に嚥贿^(guò)關(guān)，產(chǎn)品的一致性比較差，傳感器陣列中點(diǎn)與點(diǎn)的性能無(wú)法做到一樣。”宋愛國(guó)的經(jīng)歷可能并不是個(gè)例。

“我們的大部分關(guān)鍵零部件都是國(guó)外進(jìn)口。”國(guó)內(nèi)某知名機(jī)器人制造企業(yè)負(fù)責(zé)人表示，包括觸覺傳感器、減速器在內(nèi)的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，在穩(wěn)定性、一致性方面不太過(guò)關(guān)。

“傳感器用國(guó)外進(jìn)口的。”楊鵬飛所在的生命科學(xué)院，通過(guò)對(duì)骨骼等的研究進(jìn)行仿生機(jī)器的生產(chǎn)，以用于航天或工業(yè)輔助用途。“這些仿生機(jī)器會(huì)在很嚴(yán)苛的環(huán)境下工作，對(duì)零部件的要求很高。”

可見，對(duì)賣方而言，工藝門檻太高;對(duì)買方而言，國(guó)產(chǎn)貨沒有保障。“一個(gè)向左、一個(gè)向右”的局面，形成了依賴進(jìn)口、內(nèi)生乏力的惡性循環(huán)。

行業(yè)外，材料不夠純

除了生產(chǎn)工藝，材料純度也是從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的“扼咽之處”。

“導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、碳納米管、石墨烯等都是可用作觸覺傳感器的材料。”宋愛國(guó)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的材料質(zhì)量、生產(chǎn)水平并不穩(wěn)定，“石墨烯的生產(chǎn)應(yīng)該還可以，但是用石墨烯制作傳感器的技術(shù)還不成熟”。

為了獲得高品質(zhì)的材料，宋愛國(guó)實(shí)驗(yàn)室會(huì)自己用導(dǎo)電膏制作符合標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)電橡膠。導(dǎo)電橡膠通過(guò)將玻璃鍍銀、鋁鍍銀、銀等眾多導(dǎo)電顆粒均勻分布在硅橡膠中制成。擠壓可以讓導(dǎo)電顆粒相互連接，從而產(chǎn)生電流。分布越均勻，電流產(chǎn)生與壓力的關(guān)系越有規(guī)律。

技術(shù)復(fù)雜，另一道坎

日漸復(fù)雜的技術(shù)也讓國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品落得越來(lái)越遠(yuǎn)。

一片巴掌大小的日本陣列式傳感器售價(jià)10萬(wàn)元，并能保持嚴(yán)格的均一、穩(wěn)定性。而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多為一點(diǎn)式的，一般100元一個(gè)。

宋愛國(guó)介紹，日本陣列式傳感器能在10厘米×10厘米大小的基質(zhì)中分布100個(gè)敏感元件，由于襯底柔軟，對(duì)不同方向力的計(jì)算以及力之間耦合干擾的消除使得敏感元件越多、相互之間的距離越短，越難做到準(zhǔn)確地輸出。日本在產(chǎn)業(yè)化方面較為領(lǐng)先，其他國(guó)家大多處于實(shí)驗(yàn)室階段。

此外，每個(gè)敏感元件的受力維度也增加了技術(shù)的復(fù)雜性，施力有六個(gè)維度(X、Y、Z軸3個(gè)方向，以及對(duì)應(yīng)的力矩方向)，維度之間的耦合干擾如何消除也是需要在基礎(chǔ)研究上發(fā)力的環(huán)節(jié)。“著名的波士頓動(dòng)力翻跟頭機(jī)器人用的僅是三維的觸覺傳感器。”宋愛國(guó)說(shuō)。

有布局，但轉(zhuǎn)化難推進(jìn)

我國(guó)在觸覺傳感器的一種——多維力傳感器的研究方面，很早就進(jìn)行了布局。宋愛國(guó)介紹，1987年?yáng)|南大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院合肥機(jī)械智能研究所獲得863重點(diǎn)專項(xiàng)的支持，研制六維力傳感器。“靜態(tài)精度已經(jīng)達(dá)到誤差率僅為1%—2%，和世界先進(jìn)水平差不多。”宋愛國(guó)坦言，但是動(dòng)態(tài)精度還需進(jìn)一步攻關(guān)，動(dòng)態(tài)耦合誤差在5%—10%左右，“例如尚未達(dá)到有高速打磨任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人的使用要求”。

但是，從成本上看，“目前的工業(yè)機(jī)器人平均造價(jià)是12萬(wàn)元左右，一個(gè)六維力傳感器成本就要3萬(wàn)余元，目前的國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)還不具備規(guī)模化生產(chǎn)這一產(chǎn)品的條件。”宋愛國(guó)說(shuō)。相較而言，美國(guó)ATI工業(yè)自動(dòng)化公司的相關(guān)產(chǎn)品，成本已下降到每個(gè)2—3萬(wàn)元。

不可否認(rèn)的是，在原創(chuàng)技術(shù)的追趕中，后來(lái)者必須繞過(guò)先行者的相關(guān)專利保護(hù)，除非找到明顯更優(yōu)解，否則很可能會(huì)因?yàn)槔@過(guò)專利而提高技術(shù)達(dá)成的門檻，大多數(shù)時(shí)候，傳說(shuō)中的“變道超車”要靠運(yùn)氣。(記者 張佳星)

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