废墟中精准识别生命信号触嗅一体机械手“有一手”

请试想这样的场景：在地震或塌方后，视觉受限，人体被废墟掩埋，尘土、飞沙遮挡视线，情况十分危急，而瓦砾、混凝土、钢筋等物体使得现场情况更为复杂。这样的情况下，救援人员不仅要及时救援，对被困人员进行精准定位，自身安全也受到了挑战。

可否研发一种机械手，只需在现场轻轻一触，就能快速识别物体与人体，且在使用时，救援人员无需亲自进入现场即可判断现场情况，并完成抓取、搬运物体的动作？

模仿鼹鼠机械手实现触嗅一体

这只“手”，不仅能摸，也会闻，更能结合两种传感器信息判断周边环境。触觉传感器通过在接触抚摸中感知压力的变化，可以采集到物体的硬度、轮廓和局部的样貌信息。而嗅觉传感器中装有特定的气敏材料，它们在接触特定气体后会产生电阻变化。特定的气体组合又代表特定的物质，例如硫化氢、氨气等人体的特殊气味。这些气味就像人体的名片一样，可显著区别于其他物体。救援人员只需操作机械手进行触摸，结合传感器采集信息，就可以快速判断被救人员的位置和机械手接触的人体部位。

面对灾害环境，团队既要考虑机械手的耐用性也要考虑其作业速度，为此团队选择了触嗅一体、联合识别的道路。相较于美国麻省理工学院发表于《自然》的包含548个传感器的单一触觉感知研究，团队通过融合70个触觉传感器、6个嗅觉传感器，就达到了更理想的识别效果。采集信号的传感器少了，通道数少了，后面的计算量也会变小，随之而来的是整个系统判断速度的加快。

并且该机械手在传感器受损的情况下，也有较高的精准度。灾害条件下，器械时常受损。得益于灵敏度超越人类1个数量级的硅基MEMS气体传感器，以及探测限超越人类1个数量级的压力传感器，机械手远比人类的手更灵敏。仿生智能机械手能在传感器损坏率不超过50%时，通过算法的快速调节，保持超过80%的准确率。

复杂环境下人类手形是最佳选择

完成了对于嗅觉、触觉传感器的选择后，是什么使得团队选择了人手形的结构呢？

现代工业中，三指、四指机械爪可以胜任简单的抓取任务，比如生活中常见的夹娃娃机就是三指机械爪。

而团队却选择了1个大拇指配合4个手指的五指结构，并且设计了多个可活动关节。这是因为在复杂的掩埋环境下，废墟中的物体形态各异，瓦砾、灰尘、泥土……多种元素挑战着救援工作，很多条件下，救援人员只能用手完成救援。而仿生机械手的搬运、抓取灵活度，是简单结构的机械手无法企及的。

对此，该论文第一作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生刘孟玮表示，在设计之初，团队也曾考虑过搭载传感器的“蛇形”机械人，其细长的结构可以轻松进入被掩埋的废墟。但人手的生理结构更能保证及时展开救援。机械手在判断现场环境后立刻就能进行搬运抓取的动作。且机械手由人类控制，使用自己的仿生“器官”，更符合人的操作逻辑。

拥有了灵活的机械手，如何让手与触嗅感官有机结合，是接下来要面对的难题。机械手的材质为确保耐用性，较为坚硬，而触摸这一动作，又需要“手”与物体有较高的贴合程度。为此，团队选择了硅基传感器加柔性基底的形式，这类柔性传感器具有柔韧、可自由弯曲且占据空间较小等特点。二者结合，安装在刚性的机械手上后，机械手就像人体的骨骼肌肉与皮肤一样，“刚柔并济”，协作进行工作。

通过模拟测试随时可用于实战

为了考验机械手的实战性能，科研人员与应急管理部上海消防研究所合作，通过在一线消防救援单位的实地调研，由陶虎团队搭建了模拟场景，还原了灾害现场有人体被掩埋的环境。

刘孟玮表示，模拟环境的测试已证明机械手具备实战能力。一旦出现紧急灾害，机械手即可投入救援。目前机械手已具备基础的仿生和传感器功能，团队还将深化研究，通过进一步精进传感器和算法，机械手的触觉传感器将可以敏锐地捕捉人体的脉搏，就如中医中的把脉一样，轻轻捏住被困人员的人体部位，就可以即时测量被困人员脉搏，进而判断生命体征。此外，救援人员还可以将其安装在智能机器人上，进行更复杂的救援活动。