基于Taxel值等值线理论的触觉超分辨率多向力感知研究及其在仿生机器人中的应用

本研究针对机器人触觉感知中多向力解耦难题，提出Taxel值等值线(TVI)理论，通过稀疏布局的传感器单元实现超分辨率力感知。团队开发了仿生指尖传感器Barodome，在7.2mm厚EcoFlex 00-30弹性体中嵌入16个气压计(MPL3115A2)，成功解耦法向力(FN)与剪切力(FR/FT)，定位精度达0.17mm(法向)和0.52mm(剪切)，为触觉传感器设计建立标准化理论框架。

　　

触觉感知是机器人实现精细操作的核心能力，然而现有技术面临两大瓶颈：一是密集排布的触觉单元(taxel)导致系统复杂度和成本激增，二是剪切力与法向力的耦合效应难以解耦。人类指尖却能以稀疏分布的机械感受器(mechanoreceptor)实现微米级定位精度，这种生物学启发促使研究者重新思考触觉传感器的设计范式。

研究团队创新性提出Taxel值等值线(TVI)理论，通过建立传感器输出值(s)、接触位置(r)与复合力矢量(F=FN+FR+FT)的数学模型，揭示了剪切力导致的等值线偏移规律。如图1所示，仿生传感器Barodome采用16个气压计单元在6.5mm间距下的稀疏布局，却实现了1209倍物理分辨率的超分辨率感知。

关键技术包括：(1)基于MPL3115A2气压计的传感单元设计；(2)EcoFlex 00-30弹性体(杨氏模量0.07MPa)的传输介质优化；(3)五自由度测试平台(精度0.0075mm)的数据采集；(4)多层感知器(MLP)机器学习模型构建。实验使用8-20mm球形压头及20mm圆柱压头，采集179.1k组含剪切力数据。

【结构设计影响】

通过调节弹性体厚度(4.2-7.2mm)和传感器埋深(图2)，发现增厚介质使感知场扩大33%但力灵敏度降低。将传感器悬浮于弹性体中部时，其表面方向灵敏度提升42%。

【物体尺寸效应】

如图2d所示，2mm球形压头激活阈值比20mm压头低87%，但前者感知范围仅后者的1/4。大尺寸压头(>12mm)通过激活多传感器单元，使定位误差降低至0.8mm。

【力方向解耦】

剪切力引入独特的等值线形变特征：切向力(F_T)产生"扭转效应"(图3b)，需额外法向力补偿；径向力(F_R)则导致等值线偏移(β_R=0.33mm)。三维重建显示(图3c)，5.0kPa读数下剪切力使等值线产生明显倾角。

【理论验证】

Barodome传感器验证了TVI理论的预测精度：剪切力导致的0.33mm理论误差与实测0.5mm高度吻合(图6b)。在4N力范围内，法向力量化误差8%，剪切力误差15%，优于现有磁感应式传感器(0.86mm MAE)。

该研究建立了触觉超分辨率感知的通用理论框架，其核心突破在于：(1)通过TVI理论统一解释生物触觉与人工传感器的超分辨率机制；(2)首次量化剪切力引起的感知偏移效应；(3)提出可扩展的稀疏传感器设计准则。未来可进一步研究连续接触物体的力分布重构，以及不同机械感受器形态的信号融合机制。这项发表于《Nature Communications》的成果，为新一代仿生触觉系统提供了理论基础和工程范式。