机器人技术的研发在过去几十年里取得了长足的进展，但并不一定像科幻小说作家想象的那样。现代研究着重于设计机器人，使其在对人类有害或乏味的情况下表现出色，例如执行灾难侦察或可靠地完成重复性任务，而不是让机器人主宰世界。尽管这些机器人已经被证明能够有效地完成体力劳动，但学会与人类进行自然互动仍然是一个挑战。
为了从一个新的角度来看待这个问题，德雷塞尔大学的机器人专家们表达与创意互动技术中心与大学的功能面料中心(CFF)．这种努力为他们的内部机器人Hubo在理解人类方面提供了一个独特的优势:衣服。
虽然尚处于发展的早期阶段，离时尚还很远，但这些服装给了Hubo一种触感。该团队正在为Hubo开发一种触觉敏感的衣服，这种衣服将使Hubo能够区分细微差别的东西，比如肩膀上的轻拍，和潜在危险的东西，比如攻击性的推。
Richard Vallett, Ryan Young和Youngmoo Kim博士在ExCITe中心演示Hubo。图片来源:德雷克塞尔大学。
灵感就在房间的另一头
机器人技术和纺织技术的结合可能听起来违反直觉，但实验室的主要研究人员说，对他们来说，这种合作是再自然不过的了。
“有一段相当长的时间，一个团队在研究机器人，而就在20英尺外，另一个团队在研究智能织物。然后一些有创意的人问:“如果我们给机器人穿上一些布料会发生什么?”’”ExCITe中心主任Youngmoo Kim博士说。“ExCITe是一个跨学科的空间，让许多不同类型的研究工作有机会交叉。”
研究人员表示，这种合作正是该大学在设计ExCITe中心时所想的，该中心的研究人员探索从表达机器人(如Hubo)到创业游戏设计和电脑编织等一切事物。ExCITe中心的使命是“维持一个环境，鼓励偶然的知识和想法的交流”，这是对Hubo衣柜的恰当描述:合作开始于寻找Hubo的保护层，比目前的PVC外壳更不脆弱，更有保护作用。
“这些漂亮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，”Kim说。
自2012年日本科技公司Shima Seiki向该大学捐赠了16个工作站和3个电脑编织系统以来，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排地组装成纺织品，类似于3D打印机分层塑料的方式。CFF的机器使用导电纱来制造智能、柔韧的服装，而不需要额外的嵌入式电子设备。到目前为止，该实验室已经使用这种技术生产了储存能量和收集Wi-Fi能量的服装，甚至为准妈妈设计了一种智能“腹带”，无需额外的组件就能监测宫缩。但CFF的负责人Geneviéve Dion说，在为Hubo设计服装时，两支队伍都有一些障碍需要克服。
在ExCITe中心工作的学生。图片来源:德雷克塞尔大学。
Hubo穿着它最新的针织敏感服装。图片来源:德雷克塞尔大学。
学习如何为成功着装
除了设计Hubo的衣服以防止碰撞和机械磨损，研究人员还努力设计一种面料，可以改善Hubo与人类的互动。在第一个任务中，团队将填充纺织品和高强度纱线结合起来，以对抗日常的磨损。结果是一套厚重的、配套的深灰色袖子、裤腿和衬衫。
Dion说，这一成就不仅对他们项目的功能很重要，而且对智能纺织品的整体理解也很重要。虽然我们可能会认为纺织品是一次性的或脆弱的，但Hubo的盔甲证明了这些纺织品是多么耐用——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外，该团队还必须设计电容式触摸传感器形式的触敏服装。像电脑键盘一样，这些触摸传感器被设计来感知触摸的压力和位置，并将其转化为机器可用的数据，比如光标移动到哪里，或者，在Hubo的例子中，回答“有人触碰我吗?”
“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，传感器实际上是由导电纱和标准的非导电纱编织而成的电路。该电路的工作原理类似于智能手机的触屏:当人的皮肤按压裸露的导电纱线时，机器人就会有触觉，从而测量触点的位置和压力。
压力和位置可以告诉人们很多关于接触的信息:如果有人轻拍你的肩膀，他们想引起你的注意。从背后用力推搡传递出一个非常不同的、明显的信息。
虽然目标相当简单，但这一领域的新兴性质意味着该团队必须从头开始工作，以确定这些传感器将如何为机器人工作。很难将一个不灵活、复杂的电路设计转化为一个可以编织成灵活传感器的电路。与印刷电路包含许多层单独的电线不同，该团队的任务是想象一个使用尽可能少的层和电线的设计。Hubo的灵活性意味着，随着Hubo的移动，他的衣服和它们的电路都需要折叠和弯曲。这些限制导致了许多问题:线路如何集成到织物并连接到外部传感控制器?传感器的编织电路如何经受反复的弯曲和拉伸?传感器如何分辨由折叠或弯曲触发的外部触摸?传感器将如何处理诸如洗衣服等实际问题?
简单概述电路使用有利于触摸敏感的织物。图片来源:德雷克塞尔大学。
“我们希望传感器像纺织品一样处理，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
“我们希望传感器像纺织品一样处理，能够折叠、拉伸和洗涤而不降解或产生不良影响，”该项目的首席研究员、博士候选人理查德·瓦莱特(Richard Vallett)说。
Hubo的触摸敏感袖子和Hubo的全身防护服的特写。图片来源:德雷克塞尔大学。
像智能手机触控板一样工作的传感
设计人员选择自电容作为传感方法。自电容感应只接收来自导电物体的触摸，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。在Hubo的衣柜中使用自电容感应意味着，折叠或拉伸对传感器的无意压力不会被记录为触摸。
为了探索这个新领域，该团队转向了MathWorks。Vallett说他们同时使用了MATLAB®和仿真软金宝app件®在柔性传感器中模拟触摸检测。随着传感器电路变得越来越复杂，他们使用Simscape™建模预期输出和性能，并减少任何测量的不确定性。
触摸传感器的工作原理与传统电容式传感器不同，后者依靠许多低电阻的导线组成的网格来测量触摸位置。相反，传感器使用单一的高电阻导电纱，在织物表面蜿蜒。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接触。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。导电裸纱编织成的线圈形成复杂的电网。通过改变针织图案和纱线组成中单个纤维的数量，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，实验参数都是通过Simulink模型运行的。”金宝app
模型输出可视化的能力使研究小组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个触点的位置和压力。由于虚拟模型允许他们理解虚拟传感器的标准输出和数据中确定趋势,他们能够设计和测试的网络传感器,能够探测准确触摸位置使用单一软线和肯定,折叠和重叠线不会模糊输入位置。
在设计过程中，团队也意识到他们的全有或全无测量触控位置的方法可能也需要修改。
迪翁说:“我们从试图非常精确地定位到感知敲击和手势。”“这真的很有趣，因为我们并不是没有考虑过这个问题;我们只是在寻求最好的解决方案。”
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，帮助这些机器人与他们的目标社区进行整合。
“我们设想未来我们的机器人将成为真正的辅助设备，”Kim说。“如果你想让一个会倒垃圾或洗碗的机器人出现在你的家里，它需要以一种比我们现在能够做到的更自然的水平与人互动。各种形式的感知，尤其是触觉，在其中占了很大一部分。”
所以，当Hubo穿着他的新衣服，你拍拍他的肩膀，当他转过身来看你想要什么时，不要太惊讶。
