請(qǐng)你打開(kāi)冰箱，并從冰箱里捏起一枚生雞蛋。

這時(shí)，你能感知到它的橢圓形狀、微妙的重量，以及表面細(xì)膩且略帶粗糙的質(zhì)感。更重要的是，你能精確控制施加的力度——既不會(huì)捏碎脆弱的蛋殼，也不會(huì)讓它從指間滑落。這種精細(xì)的力控能力源于我們指尖數(shù)以萬(wàn)計(jì)的觸覺(jué)感受器，它們能同時(shí)感知多維度的力學(xué)信息，包括壓力、紋理和溫度。

圖片來(lái)源：visiblebody

如今，機(jī)器人也正在獲得這種神奇的能力。但對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，這種對(duì)物理世界的精確感知需要通過(guò)視觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)。這些傳感器通常由柔性材料制成，內(nèi)部嵌入壓力傳感元件和成像系統(tǒng)，能夠捕捉物體的形狀、硬度、紋理等多種特性。近年來(lái)，視觸覺(jué)傳感器已經(jīng)在人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，并成為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈巧操作的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

01 什么是視觸覺(jué)傳感器？

視觸覺(jué)傳感器(Vision-Based Tactile Sensor，VBTS)是一種基于視覺(jué)的觸覺(jué)感知裝置。與傳統(tǒng)的單一維度力傳感器不同，它能夠同時(shí)感知法向力（垂直于表面）、剪切力（平行于表面）、相對(duì)滑動(dòng)和物體的位姿等多維信息，非常接近人手的觸覺(jué)信息維度。

GelSight是視觸覺(jué)傳感器的典型代表。它于2009年由MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室的Edward Adelson研究團(tuán)隊(duì)首次提出。名稱(chēng)中的“Gel”指的是傳感器表面使用的彈性凝膠材料，而“Sight”則暗示其基于視覺(jué)的工作原理——內(nèi)置攝像頭在LED燈光輔助下捕捉物體接觸凝膠表面產(chǎn)生的形變，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法將這種形變映射為精確的觸覺(jué)信息。

圖片：Evolution of GelSight sensor configurations；來(lái)源：ResearchGate

視觸覺(jué)傳感器的工作原理可以類(lèi)比為一個(gè)微型的“接觸成像系統(tǒng)”。當(dāng)物體接觸傳感器表面時(shí)，彈性材料會(huì)根據(jù)接觸力的大小和方向產(chǎn)生不同程度的形變。這些形變通常肉眼難以分辨，但借助特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)和高分辨率攝像頭，可以將微小形變放大并轉(zhuǎn)換為清晰的圖像。

這些圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)深度學(xué)習(xí)算法處理后，能夠重建出接觸表面的三維壓力分布圖，甚至可以識(shí)別出物體的精細(xì)紋理特征，如指紋的脊線和谷線、布料的織紋，甚至紙幣上的凹凸浮雕。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，與其他類(lèi)型的觸覺(jué)傳感器相比，視觸覺(jué)傳感器具有以下優(yōu)勢(shì)：

首先，它提供的是高密度的觸覺(jué)信息，而非離散點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，這使得觸覺(jué)感知更加全面和精細(xì)。

其次，由于核心感知元件是攝像頭，因此避免了傳統(tǒng)觸覺(jué)傳感器中大量電子元件的復(fù)雜布線和環(huán)境干擾（如溫濕度、電磁）問(wèn)題。

第三，彈性材料表面具有很好的適應(yīng)性，能夠與各種形狀的物體充分接觸，提高感知準(zhǔn)確性和接觸的穩(wěn)定性。

02 技術(shù)演進(jìn)：從概念驗(yàn)證到實(shí)用化應(yīng)用

視觸覺(jué)技術(shù)的發(fā)展軌跡體現(xiàn)了一門(mén)新技術(shù)從理論到實(shí)踐的漸進(jìn)過(guò)程。

在技術(shù)誕生初期，研究重點(diǎn)在于展示這種新型傳感方式的可行性與優(yōu)勢(shì)。MIT的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)包含數(shù)十種不同材質(zhì)的觸覺(jué)紋理數(shù)據(jù)庫(kù)，包括織物、木材和砂紙等常見(jiàn)材料。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，機(jī)器能夠準(zhǔn)確分類(lèi)不同材料，證明視觸覺(jué)傳感器可以幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物體特性的識(shí)別。

技術(shù)的重大突破出現(xiàn)在機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。研究團(tuán)隊(duì)將視觸覺(jué)與機(jī)械臂集成，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小型零件的精確定位與操控。特別值得一提的是，這種傳感器的分辨率達(dá)到了微米級(jí)別，使機(jī)器人能夠感知極其細(xì)微的表面變化，為精細(xì)操作提供了必要的反饋信息。

通過(guò)視覺(jué)和觸覺(jué)的結(jié)合，機(jī)器人展示了類(lèi)人的精細(xì)操作能力和閉環(huán)控制功能。例如，在插拔USB接口等需要精準(zhǔn)定位的任務(wù)中，視觸覺(jué)傳感器的加入顯著提高了成功率，減少了對(duì)精確預(yù)編程的依賴，增強(qiáng)了機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的適應(yīng)能力。

這些進(jìn)展標(biāo)志著視觸覺(jué)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室概念走向?qū)嵱霉ぞ叩霓D(zhuǎn)變，為后續(xù)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

近年來(lái)，視觸覺(jué)傳感器技術(shù)持續(xù)迭代，各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)推出了多種改進(jìn)版本。例如，英國(guó)布里斯托大學(xué)的TacTip采用仿生設(shè)計(jì)，模擬人類(lèi)指尖皮膚下的機(jī)械感受器結(jié)構(gòu)；UC Berkeley的OmniTact實(shí)現(xiàn)了彎曲表面的全方位觸覺(jué)感知；