這下，你打人形機器人，它真的會「疼」了。

來自香港城市大學的研究團隊提出了一種全新的神經(jīng)形態(tài)機器人電子皮膚（neuromorphic RE-skin，NRE-skin）。

NRE-skin通過模仿人類神經(jīng)系統(tǒng)，利用分層（Hierarchical）的神經(jīng)形態(tài)架構，讓觸覺信號不再需要傳到中央處理器，而是在皮膚內(nèi)部就完成了初步處理與脈沖編碼。

基于這一仿生設計，NRE-skin同時實現(xiàn)了三項關鍵能力：

• 高分辨率觸覺感知：高效采集并編碼精確的壓力和位置信息。
• 主動保護機制：具備局部反射機制，能夠進行主動疼痛感知與損傷檢測。
• 維護高效性：支持快速更換的模塊化快拆結構。

網(wǎng)友表示這種復雜而精細的觸覺感知，將會為機器人領域帶來一次巨大的躍遷。

而這一研究也無疑會為后續(xù)的觸覺反饋算法和硬件設計提供新的思路。

接下來我們具體來看。

把觸覺轉(zhuǎn)成“神經(jīng)脈沖”

相比于以往的電子皮膚，NRE-skin沒有繼續(xù)沿用傳統(tǒng)電子皮膚的“模擬信號采集”思路，而是模擬人類，直接把觸覺轉(zhuǎn)譯成神經(jīng)元式的脈沖信號。

在生物系統(tǒng)中，感覺信號經(jīng)歷的是一個分級處理過程：刺激由末梢神經(jīng)的局部“感受野”捕獲并編碼，再通過神經(jīng)纖維層層遞進、逐漸聚焦，最終形成完整的感覺信息傳導至大腦。

NRE-skin遵循這一思路，在硬件層面實現(xiàn)了“傳感器即神經(jīng)元”的設計：它將每個壓力傳感器直接與一個微型振蕩電路相集成。

當皮膚感知壓力時，傳感器的電阻變化會即時調(diào)控振蕩電路，導致其輸出的脈沖信號頻率發(fā)生改變。

具體而言，壓力越大，脈沖發(fā)射得越密集，以此完成壓力強度到脈沖頻率編碼的直接轉(zhuǎn)譯。

更巧妙的是，為了精確定位，每個傳感器被賦予了一組獨特的無源元件（電阻R和電容C）作為其“位置指紋”。

這些元件的配置使得每個位置發(fā)出的脈沖，在形狀、寬度或幅度上都具有獨一無二的特征。

由此，NRE-skin通過這種“頻率-強度，特征-位置”的編碼方式，將所有復雜的觸覺信息高效地匯聚到單一傳輸通道中。

分層（Hierarchical）處理

在將觸覺信息編碼為脈沖信號后，NRE-skin借鑒人類皮膚的分層處理，設計了四層結構（封裝層、傳感層、電路層、基底層） 。

而且還在電路層面建立了分層的、神經(jīng)狀的感受野結構，以實現(xiàn)信號的漸進降維和數(shù)據(jù)流簡化。

在生物系統(tǒng)中，人類皮膚的功能由精密的四層結構支撐：角質(zhì)層、表皮層、真皮層和皮下組織。

這些層級中蘊含著高度復雜的感覺系統(tǒng)，分布于真皮和表皮的多種機械感受器與分層的神經(jīng)感受野共同構成了信息采集與處理的一體化網(wǎng)絡。

該網(wǎng)絡將觸覺刺激分為兩類：

• 基礎感知（如劇烈疼痛）通過脊髓反射弧快速處理，觸發(fā)無需大腦參與的局部自動反應（如縮回）。
• 復雜感知（如刺激強度的精確定位和損傷識別）則會被逐級傳遞至大腦皮層，進行更深層次的分析和決策。

與之類似，NRE-skin也采用了類似的四層結構，將感覺信號從外周逐級傳遞至更高層級的處理中心，實現(xiàn)了從粗到細的定位與篩選：

• 封裝層：模擬角質(zhì)層，提供表面的機械保護和整體防護。
• 基底層：模擬皮下組織，提供緩沖，吸收外力沖擊，并作為機械支撐。
• 傳感層：對應人類的機械感受器,負責感知外部刺激（如壓力），并將其轉(zhuǎn)換為電信號。
• 電路層：對應人類的信號傳導神經(jīng)，NRE-skin的核心。負責脈沖編碼、信號處理、局部反射決策。

在四層結構中，電路層是NRE-skin 的核心處理模塊。

它位于傳感層之下，負責將壓力刺激轉(zhuǎn)換為脈沖序列，并通過一套模擬生物感覺處理機制的人工感受野網(wǎng)絡對信號進行初步處理，實現(xiàn)漸進降維和數(shù)據(jù)流簡化。

電路層被進一步細分為五個關鍵功能區(qū)域：

• 疼痛中心：用于疼痛信號評估、
• 特征中心：用于識別信號來源的皮膚模塊
• 信號整合器：用于合并各路輸出
• 脈沖發(fā)生器：用于生成脈沖序列
• 和連接器（用于與外部皮膚模塊連接

在此基礎上，研究人員進一步集成了兩大高級功能：

主動疼痛感知與局部反射

NRE-skin具備基于疼痛閾值觸發(fā)的局部反射機制。電路層面的“疼痛中心”實時監(jiān)測脈沖頻率所反映的壓力強度。

一旦壓力超過閾值，系統(tǒng)會繞過中央處理器，直接觸發(fā)類似脊髓反射弧的機制，實現(xiàn)毫秒級的即時保護動作（如縮回），大幅提升機器人的安全響應能力。

損傷自檢與模塊化維護

NRE-skin 通過檢測傳感器周期性產(chǎn)生的“活脈沖”狀態(tài)，實現(xiàn)了皮膚損傷的精確自檢和定位。

一旦脈沖停止，即意味著皮膚受損。結合其模塊化快拆設計，這極大地簡化了受損皮膚單元的快速更換與維護流程。

總體看來，NRE-skin 不僅是一種更高效的電子皮膚，更是一種具備自主感知、實時判斷和自我保護機制的仿生智能系統(tǒng)，為未來制造更安全、更具人性化的仿人機器人奠定了堅實的工程基礎。

這篇論文的第一作者是來自香港城市大學的高育育。

他目前是港城大學的博士后，研究方向包括觸覺感知（Tactile Sensing）和柔性電子（Flexible Electronics）。

他本科和碩士都畢業(yè)于西南交通大學，博士畢業(yè)于香港城市大學。