在过去的几十年里，机器人的研究和发展已经取得了长足的进步，但并不一定像科幻作家想象的那样。现代研究的重点不是让机器人接管世界，而是设计机器人，让它们在对人类来说危险或乏味的情况下表现出色，比如执行灾难侦察或可靠地完成重复性任务。尽管这些机器人已被证明能有效地完成体力任务，但学会与人类自然互动仍然是一个挑战。
为了从新的角度来看待这个问题，德雷塞尔大学的机器人专家表达和创造性交互技术(ExCITe)中心与大学的功能织物中心(CFF)．这一努力使他们的内部机器人Hubo在了解人类方面具有独特的优势:服装。
虽然这款服装仍处于开发的早期阶段，离时尚宣言还很远，但它给Hubo带来了一种触感。该团队正致力于为Hubo开发触控服装，使其能够区分轻拍肩膀这样细微的动作和猛推这样具有潜在危险的动作。
Richard Vallett, Ryan Young和Youngmoo Kim博士在ExCITe中心演示Hubo。图片来源:德雷塞尔大学。
灵感就在房间的另一边
机器人技术和纺织技术的结合可能听起来违反直觉，但实验室的首席研究人员说，对他们来说，这种合作再自然不过了。
“有很长一段时间，一个团队在研究机器人，而就在20英尺远的地方，另一个团队在研究智能织物。然后一些有创新精神的人问，‘如果我们在机器人身上放一些织物会发生什么?’”ExCITe中心主任金永茂博士说。“ExCITe是一个跨学科的空间，为许多不同类型的研究工作提供了交集的机会。”
研究人员表示，这种合作正是该大学在设计ExCITe中心时所考虑的，该中心容纳了从表达机器人(如Hubo)到创业游戏设计和计算机编织等各个领域的研究人员。ExCITe中心的使命是“维护一个鼓励知识和思想偶然交流的环境”，这对Hubo的衣柜来说是一个恰当的描述:这项合作始于为Hubo寻找一种比目前的PVC外壳更不易碎、更有保护作用的保护层。
金姆说:“这些花哨的塑料外壳会让它看起来非常未来，但它们非常脆弱，不能很好地保护机器人。”
2012年，日本科技公司岛精机(Shima Seiki)向ExCITe捐赠了16台工作站和3台计算机化针织系统，自那以来，CFF一直是ExCITe不可或缺的一部分。这些电脑编织机将纱线一排一排地组装成纺织品，类似于3D打印机如何将塑料分层。CFF的机器使用导电纱线来制造智能、灵活的服装，而不需要额外的嵌入式电子设备。到目前为止，该实验室已经将这项技术用于制造能量储存和Wi-Fi电力收集的服装，甚至为孕妇设计了一种智能“肚兜”，可以在没有额外组件的情况下监测宫缩。但当轮到给Hubo着装的时候，CFF的主管吉纳维·迪昂(genevisamuve Dion)说，两个团队都有一些障碍需要克服。
在ExCITe中心工作的学生。图片来源:德雷塞尔大学。
Hubo穿着它新编织的敏感服装。图片来源:德雷塞尔大学。
学习如何穿着成功
除了为Hubo设计防止碰撞和机械磨损的服装外，研究人员还努力设计一种能改善Hubo与人类互动的面料。在第一个任务中，该团队将填充纺织品和高强度纱线结合起来，以对抗日常磨损。结果是一套笨重的深灰色袖子、裤腿和衬衫。
迪翁说，这一成就不仅对他们项目的功能很重要，而且对整个智能纺织品的理解也很重要。虽然我们可能认为纺织品是一次性的或脆弱的，但Hubo的盔甲证明了这些织物的耐用性——在这种情况下甚至比工业强度的塑料还要耐用。
除了保护Hubo，该团队还必须设计电容式触摸传感器形式的触摸敏感服装。就像电脑键盘一样，这些触摸传感器的设计目的是感知触摸的压力和位置，并将其转化为机器可用的数据，比如向哪里移动光标，或者像Hubo一样，回答“有人在摸我吗?”
“这些花哨的塑料外壳会让它看起来非常未来，但它们非常脆弱，不能很好地保护机器人。”
Youngmoo金
触摸感应的衣服
对于Hubo的新衣服来说，传感器本质上是由导电纱线和标准的非导电纱线编织而成的电路，它们构成了衣服的结构。该电路的工作原理类似于智能手机的触摸屏:当人的皮肤按压裸露的导电纱线时，它会给机器人一种触觉，测量触摸的位置和压力。
压力和位置告诉人们很多关于接触的信息:如果有人轻轻地拍你的肩膀，他们想要引起你的注意。从背后用力推，传达了一个非常不同的、明显的信息。
虽然目标相当简单，但该领域的新兴性质意味着该团队必须从头开始工作，以确定这些传感器如何为机器人工作。将一个不灵活的、复杂的电路设计转化成一个可以编织成一个灵活的传感器是很困难的。与包含多层单独导线的印刷电路不同，该团队的任务是想象一种使用尽可能少的层和导线的设计。Hubo的灵活性意味着他的衣服及其电路需要随着Hubo的移动而折叠和弯曲。这些限制导致了许多问题:如何将布线集成到织物中并连接到外部传感控制器?传感器的编织电路如何经受住反复的弯曲和拉伸?传感器如何区分由折叠或弯曲触发的外部触摸?传感器将如何解决诸如被清洗之类的实际问题?
使用触敏有利织物的电路的简化概述。图片来源:德雷塞尔大学。
“我们希望传感器像纺织品一样被处理，能够折叠、拉伸和洗涤，而不会降解或产生不利影响。”
理查德Vallett
“我们希望传感器能像纺织品一样被处理，能够折叠、拉伸和洗涤，而不会降解或产生不利影响，”博士候选人、该项目的首席研究员理查德·瓦莱特(Richard Vallett)说。
Hubo的触敏袖和全身防护服的特写。图片来源:德雷塞尔大学。
像智能手机触摸板一样工作的传感
设计人员选择自电容作为传感方法。自电容感应只记录来自导电物的触摸，比如我们的指尖。大多数智能手机都使用同样的方法，这就是为什么我们发短信时必须摘下手套的原因。在Hubo的衣柜中使用自电容传感，意味着折叠或拉伸对传感器的意外压力不会被记录为触摸。
为了探索这一新领域，该团队求助于MathWorks。Vallett说他们同时使用了MATLAB®和仿真软金宝app件®对柔性传感器的触摸检测进行建模。随着传感器电路变得越来越复杂，他们使用Simscape™来模拟预期输出和性能，并减轻任何测量不确定性。
触摸传感器不像传统的电容式传感器那样工作，后者依赖于许多具有低电阻的导线网格来测量触摸位置。取而代之的是，传感器使用一根高电阻的导电纱线，它在纺织品表面呈蛇形。通过纱线的低电流允许从纱线路径的两端测量电压的细微变化。然后从沿路径的线性距离的电压差推断出触摸。该团队能够通过物理手段改变传感器的电阻来调整电行为。裸露导电纱的针织环形成复杂的电网络。通过改变针织图案和纱线组成中单个纤维的数量，该团队可以在不损失性能的情况下最大限度地提高灵敏度。找到这两个因素的正确组合是关键。
Vallett说:“在我们进行任何物理测试之前，实验参数会通过Simulink模型运行。”金宝app
可视化模型输出的能力使团队能够设计一组解耦方程，以跟踪从两个耦合电压信号测量的传感器上的单次触摸的位置和压力。由于虚拟模型使他们能够理解虚拟传感器的非标准输出，并识别数据中的趋势，他们能够设计和测试传感器网络，该网络可以使用一根柔性导线检测准确的触摸位置，并确保折叠和重叠的导线不会模糊输入位置。
在设计过程中，该团队还意识到，他们测量触摸位置的方法可能也需要修改。
迪翁说:“我们从试图精确定位转向感应敲击和手势。“这真的很有趣，因为这并不是说我们没有考虑过它;我们只是在努力寻求最佳解决方案。”
该团队仍在完善Hubo的新服装，但他们希望提高织物的触摸精度和灵敏度，并将他们的技术扩展到实验室之外，并帮助这些机器人与他们旨在帮助的社区相结合。
“我们设想未来我们的机器人是真正的辅助设备，”Kim说。“如果你想让一个机器人在你的房子周围，可以倒垃圾或洗碗，它需要在一个比我们现在所能做到的更自然的层面上与人互动。各种形式的感知，尤其是触觉，是其中的重要组成部分。”
所以，当Hubo穿着他的新衣服，你轻拍他的肩膀时，当他转过身来看看你想要什么时，不要太惊讶。
