【科技成果】北大团队联合研发触觉传感器新成果：TVI 理论突破超分辨率力感知，机器人指尖实现精准多向力检测
北京大学触觉传感实验室联合德国图宾根智能系统研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）团队，在触觉传感器领域取得关键突破 —— 提出基于触觉传感单元数值等值线（Taxel Value Isoline, TVI）的超分辨率感知理论，开发出名为 “Barodome” 的机器人触觉指尖传感器，成功实现多方向力（法向力与剪切力）的超分辨率检测。相关研究成果以 “Sensing multi-directional forces at superresolution using taxel value isoline theory” 为题，发表于《自然・通讯》（Nature Communications）期刊，为机器人触觉技术的实用化提供重要理论与技术支撑。
人类指尖的触觉感知能力源于皮肤中多种机械感受器的协同作用，这些感受器能精准检测接触物体、软组织与骨骼间的应力交互，其性能随形态与真皮层深度呈现差异化。受此启发，研究团队聚焦机器人触觉交互的核心痛点：传统触觉传感器虽能感知力信号，但面对复杂的多方向力（尤其是法向力与剪切力的耦合作用）时，常出现性能下降，且依赖密集传感单元布局才能保证精度，导致成本高、鲁棒性低。
为解决这一问题，团队提出 TVI 综合理论 —— 通过分析传感单元的感知范围、力敏感性及接触物体特性，建立触觉传感单元数值等值线模型，将 “传感器 - 接触物体 - 多向力” 三者的复杂交互统一到理论框架中。该理论的核心价值在于：无需依赖密集传感单元，仅通过优化软弹性体中传感单元的放置位置、布局方式，即可实现超分辨率感知；同时能精准解释剪切力导致传感器性能下降的机制，为传感器设计提供明确指导。例如，通过调整软传输介质（如弹性体）的厚度与传感单元嵌入深度，可定制传感器的感知范围与力敏感性 —— 较厚弹性体能扩大感知范围但降低敏感性，而将传感单元置于弹性体中部，可在感知范围与敏感性间实现平衡；软介质的杨氏模量、泊松比等参数也能通过 TVI 理论量化调控，如低杨氏模量可提升敏感性，低泊松比则能优化深度方向的感知精度。
基于 TVI 理论，团队研发的 Barodome 触觉传感器，仿生人类拇指指尖形态（总高 45.0mm、直径 21.5mm），在三维圆柱与抛物面尖端结构的软弹性体内，嵌入 16 个悬浮式气压传感单元（间距 6.5mm），通过机器学习模型处理传感数据，实现单点接触位置与多向力的精准推断。实验验证显示：在纯法向力场景下，该传感器定位精度达 0.8mm，力量化精度为 8%，覆盖 0-4N 力范围；即使引入剪切力（切向与径向），性能仅出现可控下降 —— 定位精度变化 0.5mm，力量化精度变化 7%，与理论预测的 0.33mm 精度损失高度吻合，证实了理论的可靠性。
值得关注的是，TVI 理论还揭示了多向力的作用机制：切向剪切力会通过 “拉离效应” 降低传感器压力信号，需更高法向力补偿；径向剪切力则通过推动或拉动弹性体，使传感等值线产生倾斜偏移，这些发现为解耦法向力与剪切力提供了关键依据，避免了传统传感器依赖复杂结构实现方向特异性检测的弊端。
该研究不仅为高性能触觉传感器设计提供了系统性指南，深化了对人类皮肤触觉机制的理解，还明确了理论边界 —— 当前 TVI 理论适用于单点接触的超分辨率感知，对于连续或分布式接触场景（如复杂表面轮廓），仍需结合视觉触觉传感器或密集阵列等技术。未来，团队将进一步探索生物机械感受器形态对感知的影响，以及如何通过类神经信号融合提升传感器的环境适应能力，推动触觉反馈融入机器人决策系统，增强其在现实场景中的自主性与交互精度。
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