主动振动传感技术通过轻触即可揭示材料的特性

《Scientific Reports》：Active vibration sensing unveils material features with a gentle touch

　　

摘要

波的传播在工程和生物学中有着广泛的应用，因为即使传播路径上的微小变化也能编码出关于所穿过介质的宝贵信息。在本文中，我们将这一概念应用于振动触觉物体感知领域，这是实现安全有效的人机交互的关键问题。我们开发了一种机器人系统，通过向被抓取的物体施加可控振动来分析其特性，同时测量手指上的振动并计算频谱残差变化。我们利用频谱分析和统计分析技术研究了物体在频域中的调制响应，并构建了紧凑的频谱和统计描述符。我们在多种材料属性下验证了该方法的有效性：弹性（从刚性到弹性：PLA 100%填充材料、TPU、FLEX、SortaClear 40、SortaClear 18、SortaClear 12）、孔隙率（PLA填充材料的孔隙率分别为100%、80%、60%、40%、20%，以及空心材料），以及施加的握力（1-5牛顿）。结果表明，在多次探测过程中，弹性、孔隙率和握力的频谱特征具有稳定性且依赖于材料属性。最后，我们展示了轻柔触碰抓取分析功能，使触觉系统能够在实际场景中辅助高效抓取（例如，草莓成熟度检测），并提供关于不同环境下波传播行为的宝贵触觉信息。所提出的方法在精准农业和安全的人机交互方面具有巨大潜力。