触摸成像！五邑大学的“仿生手指”凭什么比激光扫描更先进？

在电影《十二生肖》里，有这样一个情节：成龙戴上一双多点装置着传感器的白手套，围着铜像兽首环绕一周，获得全方位扫描的三维数据，同步传输到另一端的电脑上，在3D打印技术的帮助下实现1：1还原复刻。

当科幻电影桥段照进现实：在五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心的实验室里，一个智能仿生手指“触摸”了人体组织物理模型的表面后，一张准确描绘出肌肉组织和骨骼、血管位置的3D建模轮廓图立刻展现眼前。这是五邑大学应用物理与材料学院院长、柔性传感材料与器件研究开发中心主任罗坚义带领科研团队研发的最新成果——以人类手指为灵感，创造一个具有集成触觉反馈系统的仿生传感器。

图为具有触觉断层扫描成像功能的智能仿生手指概念图。受访者供图

与成龙的“白手套”相比，罗坚义的“仿生手指”是否不相伯仲？为什么它能在五邑大学的实验室被研发出来？从实验室走出来，“仿生手指”能应用到哪些社会生活情景，能否带来某一领域的技术变革……带着这一连串问题，南方日报记者走访了五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心，并对罗坚义的科研团队进行了专访。

“仿生手指”是什么？
在日常生活中，触觉感知对人类获取环境信息起着非常重要的作用，它甚至可以使人类在缺失视觉的情况下通过触摸来感知环境中复杂的信息。这是由于人类手指具有高密度的神经末梢，使其具有高灵敏度的触觉感知，不仅可以感知物体表面信息，如表面轮廓、表面纹理以及物体软硬度，还可以粗略地感知物体表层下的内部结构。

“我们的课题研究灵感来自人类手指。”罗坚义一边伸出手掌，一边向记者解说，“当人们用手指触摸自己的身体时，不仅能感觉到皮肤的质地，还能感觉到皮肤下血管、骨骼的轮廓分布。”

罗坚义从事柔性传感材料与应用研究已有多年，基于自主研发的碳纤维基触觉传感器，他带领的科研团队已经研发出柔性触觉传感器、温度传感器、气压传感器和弯曲传感器等项目应用。受启发于人类手指的高灵敏触觉感知机制，罗坚义从“模拟”出发，带领团队沿着柔性触觉传感器的研究开发一路前进，探索创造一个具有集成触觉反馈系统的仿生传感器。

根据罗坚义科研团队发表在《细胞报告-物理科学》的论文，“仿生手指”在触摸了物体的表层后，即可把数据反馈传输至电脑上，绘制出反映物体内部形状和纹理的3D地图，区别以往只能识别和区分物体外部形状、表面纹理和硬度的传感器。这项技术听起来比成龙手上只能获取兽首表面信息的“白手套”还要先进！

“利用内置的碳纤维基触觉传感器和触觉反馈系统，仿生手指在物体上移动触摸时，会通过施加压力进行‘扫描’。每触摸一次，碳纤维就会被压缩一次，压缩的程度反馈所收到的压力大小，通过设定恒定压力，记录不同测量点之间探测头的移动位移量，提供物体相对硬度或柔软度的信息，这些信息连同位置数据一起被传送到电脑上，以3D图像的形式呈现物体外部及内部的结构。”论文通讯作者、五邑大学讲师陈智明解释道。

图为智能仿生手指对柔性电子器件内部结构的无损检测及三维轮廓图重构。受访者供图

“在研发的过程中，我们不仅要用好碳纤维基触觉传感器的超灵敏、低功耗、自适应等特点，还要思考如何模拟指尖的神经反馈系统，建立相应的软件系统，将获取的物理信息量化处理，转化成可视化的数据，建立‘闭环反馈’机制。”罗坚义补充，“这是最难的一点，目前市面上大多数机器人控制还只是按照设定程序进行单向控制，无法有效利用敏感的触觉传感技术及时反馈和调整机器的运动轨迹，实现闭环反馈控制。”

实验室里，研究人员测试了仿生手指绘制多种材料构成的复杂物体内外部特征的能力——它不仅能区分柔软的外涂层和内部坚硬的脊状结构，还准确“画”出人体组织物理模型内部的轮廓图。另一边，当仿生手指“摸过”一个有缺陷的封装后的电子器件，随之创建内部组件的3D地图，并精确地定位了电子电路引线断点的位置，可识别出一个没有穿透外层的不正确钻孔。

为何能在五邑大学研发出来？

如前文所言，“仿生手指”并非某个单一学科的产物，它的研发涉及物理学、材料学、电子信息、通信工程、智能制造等多个学科，是一个跨学科融合的集成式创新项目。

早于2017年，罗坚义科研团队在国际上首次发现碳纤维材料具有感温感力的高灵敏传感特性，它以一种全新的传感结构、机理，为传感器领域的创新研发提供了新思路：以同一种碳纤维丝为“积木”单元，通过构建不同的受力和感温结构，制备出不同感知类型的传感器。

在碳纤维柔性传感材料这一领域取得重大突破之后，罗坚义团队感到十分振奋，立即向学校领导作报告。彼时，五邑大学正成为广东省高水平理工科大学建设高校，明确了“应用型人才培养特色鲜明，服务地方产业发展能力突出”的建设目标，着力高素质创新型应用型技能型人才。

获此信息后，五邑大学学校领导层意识到这是一个不可错过的重大科技创新机遇，当机立断成立“柔性传感材料与器件研究开发中心”，并投入首期建设经费2000万元。罗坚义担任中心主任，负责课题研发、项目运作、高层次人才引进、高素质人才培养等工作。

筑巢引凤栖，花开蝶自来。有了研发中心这个大平台，罗坚义开始“招兵买马”，先后从中山大学、华中科技大学、华南理工大学等高校引入物理、材料等学科背景的博士人才，并以课题组为单位，构建了“导师+研究生+本科生”的课题研究生态。

“我们的研究往往包含了材料、器件、电路、软件以及应用等学科内容，所以会以一个课题项目小组为单位开展工作。通常，38个研究生各为课题组的项目负责人，每个研究生带着大约10名本科生组员开展分工合作，如设置电路组、软件组、以及器件组等。”陈智明解释，“在导师的带领下，一般以组会的形式讨论项目进度、拟定下一步的实验计划，并鼓励学生依托项目参加挑战杯等创新创业比赛。”

据介绍，柔性传感材料与器件研究开发团队成立至今，围绕碳纤维材料的感温感力功能，通过构建不同的受力和感温结构，研发出应力、温度、弯曲、气压共四大类柔性传感器，并验证了这些器件在中医远程诊疗系统的脉搏检测、人体体温检测、运动肌肉检测、高铁表面气流动力学测试等方面的潜在应用，涉及科研成果转化为高价值专利达80余项。

例如，基于柔性气压传感器技术研发的“舌压仪”，通过实时记录口腔舌肌压力数值，让医生及时了解吞咽障碍患者的治疗效果，并让患者通过曲线图直观了解康复进程。五邑大学副教授温锦秀表示，舌压仪是由她带领研究生周廷亮、张凯邦，联合中山大学附属口腔医院口腔颌面外科护士长杨冬叶共同研发出来的，该项目打破了美国和日本在这一领域的技术垄断，每台仪器的采购成本预计可降低数万元。据介绍，该项产品目前已经走出实验室，通过专利许可和专利转让的方式进入江门市舒而美医疗用品有限公司的生产线，预计今年内实现投产。

“通常情况下，导师负责天马行空，提出各种想法，研究生相当于项目经理，带着团队成员反复验证项目的可行性，在一个个失败或成功中增长学科知识、积累科研经验，一步步成长为具备跨学科背景的综合型创新人才。”罗坚义补充。“仿生手指”同样也是在这样的创新链条人才培养模式下，经由2届研究生及本科生“接棒”研发出来。

从实验室到应用，还需要迈过几道坎？

走出实验室，“仿生手指”将会有哪些应用场景？

“区别于X射线或超声波的扫描成像，这项触觉感知技术为人体和柔性电子产品的无损检测开辟了一条非光学的道路。”罗坚义认为，未来，类似于外科医生的触诊，仿生手指甚至可以识别人体的简单组织结构。

陈智明表示，未来这项技术主要有两个发展方向，一个是断层扫描成像技术，团队将进一步提高数据量化处理的精准度，以提升“仿生手指”的检测灵敏度和分辨率，使其可以媲美于光学检测技术。另一个方向是智能仿生机器人技术，他们团队计划将仿生手指与仿生机器人的研发相结合，开发出具有和人类相似机动性和感知功能的仿生机器人，并尝试将仿生手指与人的假肢结合，帮助残疾人恢复对外界环境的触觉感知。

陈智明口中的“未来”还有多远？从实验室到应用，“仿生手指”还需要迈过几道坎？罗坚义回答：“至少还有3道门槛。”

“‘仿生手指’的面世，是‘从0到1’的突破。而实现‘从1到10’的推进是第一道门槛，即工程研发阶段，它需要论证这项技术的开发成本、市场需求、生产周期等要素。”罗坚义说，“第二道门槛便是提升技术成熟度，即进入产业链后，要根据实际应用需求不断地迭代升级，提高产品的良品率。最后一道门槛则是金融、资本的投入，任何一项新技术的转化应用，前期需要投入大量的科研资金，还要承担较大的失败风险，如何让投资人认可你的产品潜在价值是十分重要的一环。”

在柔性传感材料与器件研究开发中心，陈智明向记者展示了已经完成技术转化应用的智能监护床垫：当人躺上去以后，一侧的电脑屏幕上立即显示心率、呼吸率、呼吸信号曲线图、体动信号曲线图等内容，并提供睡眠质量监测数据。据介绍，该产品可以应用于居家养老、机构养老、术后病人健康监测等情景。

陈智明介绍，这张柔软可弯曲折叠的轻薄床垫运用了应力、温度、气压等柔性传感器技术，从技术到产品的成功转变得益转化于2020年与广东天物新材料科技有限公司签订的产学研合作协议，探索从实验室到生产线的转化路径。

广州碳思科技有限公司是广东天物新材料科技有限公司旗下的子公司，主要负责智能监护床垫的研发与推广。该公司副总经理黄景诚表示，从“1”到“10”，企业的产品研发思路要跟着市场需求走，并要求在最短的时间内开发出一个稳定可靠、可量产的产品推向市场，考量的是技术应用的成熟度、研发周期与成本周期等因素，以及产品的质量、价格、性能等竞争优势。

“从样品到产品，中间会经历无数个技术改良与迭代升级，这也是每一个新产品推向市场的必经之路。”黄景诚说。

在五邑大学的实验室里，对“仿生手指”的研发应用还在继续。

“当提起智能仿生手指，别人一听，觉得好像很神奇、很科幻，但应用点在哪里呢？如何解决人们日常生活中的难题痛点？这个问题需要结合社会发展需求进行思考。至于能否引起某一领域的技术变革？我认为言之尚早。”罗坚义说，“我们期望能有更多企业家参与进来，带着问题与思考，一起探讨找到技术应用的最优切入点，解决工业生产或医学研究上的难题与需求。”

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来源：南方+客户端

编辑：“网信江门”编辑小组

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