人類手指非常奇妙,擁有最敏感的觸覺感知。透過手指觸碰皮膚,我們不但能感受皮膚質感,甚至連底層骨頭形狀也能大致摸透。中國武夷學院科學家開發出模擬人類手指觸覺回饋系統的仿生手指,只需點按或刺戳物體(不論人體還是電子裝置)表面,就能搭配電腦描繪出底層細節。
武夷學院科學家團隊之前開發過人工觸覺感測器,但只能辨識並區別物體表面特徵,如外部形狀、表面質理及軟硬度,但表面下細節無從判斷。以往需仰賴 CT 電腦斷層掃描、PET 正子斷層掃描、超音波斷層掃描(Ultrasonic Tomography)或 MRI 磁振造影之類光學技術才能辦到。
科學家團隊開發出整合觸覺回饋系統的仿生手指,展現只需觸碰便能將底層細節描繪一清二楚的神奇技術,也為人體與柔性電子裝置的非破壞性檢測(Nondestructive Testing,NDT)提供基於非光學技術的新途徑。
我們用手指觸碰某物,神經觸覺回饋系統很複雜,首先皮膚會感受到壓縮或拉伸的機械變形(Mechanical Deformation),觸發皮膚機械感受器(Mechanoreceptors)發出電脈衝。電脈衝會通過中樞神經系統傳遞到大腦自體感覺皮質區(Somatosensory Cortex)。經過整合,大腦就能辨識我們接觸物體的特徵,包括形狀、表面質理及軟硬度。
仿生手指完全模擬這種觸覺回饋系統,科學家在仿生手指頂部安裝金屬圓柱體充當人類手指指尖,同時以碳纖維束為觸覺機械感受器,並與訊號處理模組相連接。仿生手指透過週期性施加壓力「掃描」目標物體表面,同時會壓縮碳纖維,材料壓縮程度代表物體相對軟硬度,資訊會連同記錄到物體表面觸碰位置的資料一併發送到電腦,電腦再將資料轉換成 3D 立體圖像。
團隊測試多次,某次測試為一硬材質字母 A 模型上覆蓋一層軟矽膠,結果仿生手指一邊觸碰一邊偵測到字母 A,並繪出 3D 立體圖像。另一項測試是讓手指觸碰有瑕疵的電子裝置,又成功描繪內部零組件 3D 圖。神奇的是,舉凡電路斷開位置,以及電路板不良通孔等瑕疵都能清楚一一繪出。