在人形機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，面部情感表達(dá)已成為衡量其交互能力的核心指標(biāo)。這一技術(shù)體系圍繞機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生皮膚研發(fā)及多模態(tài)交互系統(tǒng)構(gòu)建展開，旨在讓機(jī)器人突破“機(jī)器感”局限，實(shí)現(xiàn)更自然的情感傳遞。

仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人面部表情的物理基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)以面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)（FACS）為理論核心，將復(fù)雜表情轉(zhuǎn)化為可量化的動(dòng)作單元（AU）控制問題。這種轉(zhuǎn)化不僅讓機(jī)械設(shè)計(jì)更具標(biāo)準(zhǔn)化，還能控制AU激活強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)從微表達(dá)到夸張表情的細(xì)膩過渡。目前，主流機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩類：機(jī)械式與仿生式。

機(jī)械式設(shè)計(jì)依賴傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)，通過連桿、齒輪、舵機(jī)等部件驅(qū)動(dòng)面部運(yùn)動(dòng)，典型代表為早稻田大學(xué)的KOBIAN機(jī)器人。該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，將面部劃分為眉毛、眼部、嘴部機(jī)構(gòu)，各模塊獨(dú)立配備控制單元，具備成本低、易維護(hù)的優(yōu)勢，但受限于剛性傳動(dòng)，表情細(xì)膩度難以突破。

KOBIAN機(jī)器人 來源：早稻田大學(xué)

與之相對，仿生式設(shè)計(jì)更注重模擬人類面部肌肉運(yùn)動(dòng)邏輯，采用軟材料與柔性驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。Hanson Robotics 的Sophia機(jī)器人是其中典范，其“柔性驅(qū)動(dòng)—肌肉模擬”結(jié)構(gòu)通過氣動(dòng)人工肌肉、形狀記憶合金等元件，復(fù)刻人類肌肉的收縮與舒張，讓表情更自然逼真，不過高度仿真的外觀也使其面臨“恐怖谷效應(yīng)”風(fēng)險(xiǎn)——當(dāng)靜態(tài)仿真度達(dá)到臨界點(diǎn)，人類會(huì)因外觀與動(dòng)態(tài)的細(xì)微失配產(chǎn)生不適感。

Sophia人形機(jī)器人 來源：Hanson Robotics

當(dāng)前，多模態(tài)混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為平衡性能與效果的優(yōu)選方案。該系統(tǒng)通過機(jī)電-氣動(dòng)協(xié)同控制，讓剛性與柔性驅(qū)動(dòng)各司其職：微型舵機(jī)陣列組成的剛性驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)眉弓、顴肌等大位移區(qū)域運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)人工肌肉（PAM）等柔性模塊則控制唇部、眼瞼等精細(xì)表情單元，形成剛?cè)狁詈系姆律?qū)動(dòng)架構(gòu)。在表情控制上，系統(tǒng)采用“情感計(jì)算-運(yùn)動(dòng)學(xué)映射-力位混合控制”三級體系：先通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）解析情感語義，再基于FACS建立表情參數(shù)化模型，最終通過阻抗控制算法協(xié)調(diào)多驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)毫秒級動(dòng)態(tài)表情生成。

仿生皮膚作為情感表達(dá)的最終載體，其材料特性直接決定表情真實(shí)感與交互深度。目前主流材料有兩種：硅膠與“Frubber”。硅膠因加工性能好、易成型且兼容傳感器，成為基礎(chǔ)選擇，能滿足機(jī)器人面部基本外觀需求，但作為絕緣材料，其機(jī)械性能與真實(shí)皮膚差距較大，難以自然形成復(fù)雜褶皺與微表情。而Frubber材料，憑借卓越的生物機(jī)械保真度脫穎而出，其肉質(zhì)般的彈性質(zhì)地可精準(zhǔn)模仿人類肌肉組織，讓皮膚褶皺更自然，大幅提升表情仿真度。

來源：《人形機(jī)器人面部情感表達(dá)技術(shù)研究綜述》（柯顯信等）

不過，皮膚技術(shù)發(fā)展也面臨多重挑戰(zhàn)。首先是導(dǎo)電性與機(jī)械性能的權(quán)衡：為實(shí)現(xiàn)觸覺感知，需在硅膠基體中添加碳納米管、石墨烯等導(dǎo)電填料，但填料增加會(huì)導(dǎo)致材料變脆變硬，偏離仿生初衷；其次是信號串?dāng)_問題，多模態(tài)電子皮膚中不同傳感器的電信號易相互干擾，影響感知可靠性；最后，傳感器與柔軟皮膚基底的楊氏模量差異會(huì)引發(fā)界面應(yīng)力集中，加上軟體材料的磨損與蠕變，降低皮膚長期耐用性。

總體來看，人形機(jī)器人面部情感表達(dá)技術(shù)已在機(jī)械結(jié)構(gòu)、仿生皮膚與多模態(tài)交互上取得階段性突破，從標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械傳動(dòng)到仿生肌肉模擬，再到剛?cè)狁詈系幕旌向?qū)動(dòng)，逐步縮小了與人臉表情的差距，但仍面臨“恐怖谷效應(yīng)”、皮膚材料性能矛盾等核心挑戰(zhàn)。

未來，技術(shù)發(fā)展將聚焦兩大方向：一是突破材料與控制瓶頸，研發(fā)兼具高導(dǎo)電性、柔韌性與耐用性的新型仿生皮膚，同時(shí)優(yōu)化情感計(jì)算模型，讓表情動(dòng)態(tài)與人類生理反應(yīng)更貼合；二是加速場景落地，如在醫(yī)療陪護(hù)中通過細(xì)膩表情傳遞關(guān)懷，在教育場景中以生動(dòng)交互提升教學(xué)效果，最終實(shí)現(xiàn)從“形似”到“神似”的跨越，推動(dòng)人機(jī)情感交互進(jìn)入更自然、更具溫度的新階段。

參考來源:

柯顯信.人形機(jī)器人面部情感表達(dá)技術(shù)研究綜述

KIMIZUKA. Haptic in-sensor computing device made of carbon nanotube-polydimethylsiloxane nanocomposites