在電影《十二生肖》里，有這樣一個情節(jié)：成龍戴上一雙多點(diǎn)裝置著傳感器的白手套，圍著銅像獸首環(huán)繞一周，獲得全方位掃描的三維數(shù)據(jù)，同步傳輸?shù)搅硪欢说碾娔X上，在3D打印技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)1：1還原復(fù)刻。

當(dāng)科幻電影橋段照進(jìn)現(xiàn)實(shí)：在五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開發(fā)中心的實(shí)驗(yàn)室里，一個智能仿生手指“觸摸”了人體組織物理模型的表面后，一張準(zhǔn)確描繪出肌肉組織和骨骼、血管位置的3D建模輪廓圖立刻展現(xiàn)眼前。這是五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長、柔性傳感材料與器件研究開發(fā)中心主任羅堅(jiān)義帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的最新成果——以人類手指為靈感，創(chuàng)造一個具有集成觸覺反饋系統(tǒng)的仿生傳感器。

圖為具有觸覺斷層掃描成像功能的智能仿生手指概念圖。受訪者供圖

與成龍的“白手套”相比，羅堅(jiān)義的“仿生手指”是否不相伯仲？為什么它能在五邑大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室被研發(fā)出來？從實(shí)驗(yàn)室走出來，“仿生手指”能應(yīng)用到哪些社會生活情景，能否帶來某一領(lǐng)域的技術(shù)變革……帶著這一連串問題，南方日報(bào)記者走訪了五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開發(fā)中心，并對羅堅(jiān)義的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了專訪。

“仿生手指”是什么？

在日常生活中，觸覺感知對人類獲取環(huán)境信息起著非常重要的作用，它甚至可以使人類在缺失視覺的情況下通過觸摸來感知環(huán)境中復(fù)雜的信息。這是由于人類手指具有高密度的神經(jīng)末梢，使其具有高靈敏度的觸覺感知，不僅可以感知物體表面信息，如表面輪廓、表面紋理以及物體軟硬度，還可以粗略地感知物體表層下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“我們的課題研究靈感來自人類手指?！绷_堅(jiān)義一邊伸出手掌，一邊向記者解說，“當(dāng)人們用手指觸摸自己的身體時，不僅能感覺到皮膚的質(zhì)地，還能感覺到皮膚下血管、骨骼的輪廓分布?！?/p>

羅堅(jiān)義從事柔性傳感材料與應(yīng)用研究已有多年，基于自主研發(fā)的碳纖維基觸覺傳感器，他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出柔性觸覺傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器和彎曲傳感器等項(xiàng)目應(yīng)用。受啟發(fā)于人類手指的高靈敏觸覺感知機(jī)制，羅堅(jiān)義從“模擬”出發(fā)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)沿著柔性觸覺傳感器的研究開發(fā)一路前進(jìn)，探索創(chuàng)造一個具有集成觸覺反饋系統(tǒng)的仿生傳感器。

根據(jù)羅堅(jiān)義科研團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告-物理科學(xué)》的論文，“仿生手指”在觸摸了物體的表層后，即可把數(shù)據(jù)反饋傳輸至電腦上，繪制出反映物體內(nèi)部形狀和紋理的3D地圖，區(qū)別以往只能識別和區(qū)分物體外部形狀、表面紋理和硬度的傳感器。這項(xiàng)技術(shù)聽起來比成龍手上只能獲取獸首表面信息的“白手套”還要先進(jìn)！

“利用內(nèi)置的碳纖維基觸覺傳感器和觸覺反饋系統(tǒng)，仿生手指在物體上移動觸摸時，會通過施加壓力進(jìn)行‘掃描’。每觸摸一次，碳纖維就會被壓縮一次，壓縮的程度反饋所收到的壓力大小，通過設(shè)定恒定壓力，記錄不同測量點(diǎn)之間探測頭的移動位移量，提供物體相對硬度或柔軟度的信息，這些信息連同位置數(shù)據(jù)一起被傳送到電腦上，以3D圖像的形式呈現(xiàn)物體外部及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、五邑大學(xué)講師陳智明解釋道。

圖為智能仿生手指對柔性電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損檢測及三維輪廓圖重構(gòu)。受訪者供圖

“在研發(fā)的過程中，我們不僅要用好碳纖維基觸覺傳感器的超靈敏、低功耗、自適應(yīng)等特點(diǎn)，還要思考如何模擬指尖的神經(jīng)反饋系統(tǒng)，建立相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，將獲取的物理信息量化處理，轉(zhuǎn)化成可視化的數(shù)據(jù)，建立‘閉環(huán)反饋’機(jī)制?！绷_堅(jiān)義補(bǔ)充，“這是最難的一點(diǎn)，目前市面上大多數(shù)機(jī)器人控制還只是按照設(shè)定程序進(jìn)行單向控制，無法有效利用敏感的觸覺傳感技術(shù)及時反饋和調(diào)整機(jī)器的運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制?！?/p>

實(shí)驗(yàn)室里，研究人員測試了仿生手指繪制多種材料構(gòu)成的復(fù)雜物體內(nèi)外部特征的能力——它不僅能區(qū)分柔軟的外涂層和內(nèi)部堅(jiān)硬的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，還準(zhǔn)確“畫”出人體組織物理模型內(nèi)部的輪廓圖。另一邊，當(dāng)仿生手指“摸過”一個有缺陷的封裝后的電子器件，隨之創(chuàng)建內(nèi)部組件的3D地圖，并精確地定位了電子電路引線斷點(diǎn)的位置，可識別出一個沒有穿透外層的不正確鉆孔。

為何能在五邑大學(xué)研發(fā)出來？

如前文所言，“仿生手指”并非某個單一學(xué)科的產(chǎn)物，它的研發(fā)涉及物理學(xué)、材料學(xué)、電子信息、通信工程、智能制造等多個學(xué)科，是一個跨學(xué)科融合的集成式創(chuàng)新項(xiàng)目。

早于2017年，羅堅(jiān)義科研團(tuán)隊(duì)在國際上首次發(fā)現(xiàn)碳纖維材料具有感溫感力的高靈敏傳感特性，它以一種全新的傳感結(jié)構(gòu)、機(jī)理，為傳感器領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)提供了新思路：以同一種碳纖維絲為“積木”單元，通過構(gòu)建不同的受力和感溫結(jié)構(gòu)，制備出不同感知類型的傳感器。

在碳纖維柔性傳感材料這一領(lǐng)域取得重大突破之后，羅堅(jiān)義團(tuán)隊(duì)感到十分振奮，立即向?qū)W校領(lǐng)導(dǎo)作報(bào)告。彼時，五邑大學(xué)正成為廣東省高水平理工科大學(xué)建設(shè)高校，明確了“應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色鮮明，服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力突出”的建設(shè)目標(biāo)，著力高素質(zhì)創(chuàng)新型應(yīng)用型技能型人才。

獲此信息后，五邑大學(xué)學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)層意識到這是一個不可錯過的重大科技創(chuàng)新機(jī)遇，當(dāng)機(jī)立斷成立“柔性傳感材料與器件研究開發(fā)中心”，并投入首期建設(shè)經(jīng)費(fèi)2000萬元。羅堅(jiān)義擔(dān)任中心主任，負(fù)責(zé)課題研發(fā)、項(xiàng)目運(yùn)作、高層次人才引進(jìn)、高素質(zhì)人才培養(yǎng)等工作。

筑巢引鳳棲，花開蝶自來。有了研發(fā)中心這個大平臺，羅堅(jiān)義開始“招兵買馬”，先后從中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校引入物理、材料等學(xué)科背景的博士人才，并以課題組為單位，構(gòu)建了“導(dǎo)師+研究生+本科生”的課題研究生態(tài)。

“我們的研究往往包含了材料、器件、電路、軟件以及應(yīng)用等學(xué)科內(nèi)容，所以會以一個課題項(xiàng)目小組為單位開展工作。通常，38個研究生各為課題組的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，每個研究生帶著大約10名本科生組員開展分工合作，如設(shè)置電路組、軟件組、以及器件組等?！标愔敲鹘忉?，“在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，一般以組會的形式討論項(xiàng)目進(jìn)度、擬定下一步的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，并鼓勵學(xué)生依托項(xiàng)目參加挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽?！?/p>

據(jù)介紹，柔性傳感材料與器件研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)成立至今，圍繞碳纖維材料的感溫感力功能，通過構(gòu)建不同的受力和感溫結(jié)構(gòu)，研發(fā)出應(yīng)力、溫度、彎曲、氣壓共四大類柔性傳感器，并驗(yàn)證了這些器件在中醫(yī)遠(yuǎn)程診療系統(tǒng)的脈搏檢測、人體體溫檢測、運(yùn)動肌肉檢測、高鐵表面氣流動力學(xué)測試等方面的潛在應(yīng)用，涉及科研成果轉(zhuǎn)化為高價(jià)值專利達(dá)80余項(xiàng)。

例如，基于柔性氣壓傳感器技術(shù)研發(fā)的“舌壓儀”，通過實(shí)時記錄口腔舌肌壓力數(shù)值，讓醫(yī)生及時了解吞咽障礙患者的治療效果，并讓患者通過曲線圖直觀了解康復(fù)進(jìn)程。五邑大學(xué)副教授溫錦秀表示，舌壓儀是由她帶領(lǐng)研究生周廷亮、張凱邦，聯(lián)合中山大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科護(hù)士長楊冬葉共同研發(fā)出來的，該項(xiàng)目打破了美國和日本在這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，每臺儀器的采購成本預(yù)計(jì)可降低數(shù)萬元。據(jù)介紹，該項(xiàng)產(chǎn)品目前已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，通過專利許可和專利轉(zhuǎn)讓的方式進(jìn)入江門市舒而美醫(yī)療用品有限公司的生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)今年內(nèi)實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)。

“通常情況下，導(dǎo)師負(fù)責(zé)天馬行空，提出各種想法，研究生相當(dāng)于項(xiàng)目經(jīng)理，帶著團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)驗(yàn)證項(xiàng)目的可行性，在一個個失敗或成功中增長學(xué)科知識、積累科研經(jīng)驗(yàn)，一步步成長為具備跨學(xué)科背景的綜合型創(chuàng)新人才?！绷_堅(jiān)義補(bǔ)充。“仿生手指”同樣也是在這樣的創(chuàng)新鏈條人才培養(yǎng)模式下，經(jīng)由2屆研究生及本科生“接棒”研發(fā)出來。

從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用，還需要邁過幾道坎？

走出實(shí)驗(yàn)室，“仿生手指”將會有哪些應(yīng)用場景？

“區(qū)別于X射線或超聲波的掃描成像，這項(xiàng)觸覺感知技術(shù)為人體和柔性電子產(chǎn)品的無損檢測開辟了一條非光學(xué)的道路?！绷_堅(jiān)義認(rèn)為，未來，類似于外科醫(yī)生的觸診，仿生手指甚至可以識別人體的簡單組織結(jié)構(gòu)。

陳智明表示，未來這項(xiàng)技術(shù)主要有兩個發(fā)展方向，一個是斷層掃描成像技術(shù)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)量化處理的精準(zhǔn)度，以提升“仿生手指”的檢測靈敏度和分辨率，使其可以媲美于光學(xué)檢測技術(shù)。另一個方向是智能仿生機(jī)器人技術(shù)，他們團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將仿生手指與仿生機(jī)器人的研發(fā)相結(jié)合，開發(fā)出具有和人類相似機(jī)動性和感知功能的仿生機(jī)器人，并嘗試將仿生手指與人的假肢結(jié)合，幫助殘疾人恢復(fù)對外界環(huán)境的觸覺感知。

陳智明口中的“未來”還有多遠(yuǎn)？從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用，“仿生手指”還需要邁過幾道坎？羅堅(jiān)義回答：“至少還有3道門檻?！?/p>

“‘仿生手指’的面世，是‘從0到1’的突破。而實(shí)現(xiàn)‘從1到10’的推進(jìn)是第一道門檻，即工程研發(fā)階段，它需要論證這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)成本、市場需求、生產(chǎn)周期等要素?！绷_堅(jiān)義說，“第二道門檻便是提升技術(shù)成熟度，即進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈后，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求不斷地迭代升級，提高產(chǎn)品的良品率。最后一道門檻則是金融、資本的投入，任何一項(xiàng)新技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，前期需要投入大量的科研資金，還要承擔(dān)較大的失敗風(fēng)險(xiǎn)，如何讓投資人認(rèn)可你的產(chǎn)品潛在價(jià)值是十分重要的一環(huán)?！?/p>

在柔性傳感材料與器件研究開發(fā)中心，陳智明向記者展示了已經(jīng)完成技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的智能監(jiān)護(hù)床墊：當(dāng)人躺上去以后，一側(cè)的電腦屏幕上立即顯示心率、呼吸率、呼吸信號曲線圖、體動信號曲線圖等內(nèi)容，并提供睡眠質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。據(jù)介紹，該產(chǎn)品可以應(yīng)用于居家養(yǎng)老、機(jī)構(gòu)養(yǎng)老、術(shù)后病人健康監(jiān)測等情景。

陳智明介紹，這張柔軟可彎曲折疊的輕薄床墊運(yùn)用了應(yīng)力、溫度、氣壓等柔性傳感器技術(shù)，從技術(shù)到產(chǎn)品的成功轉(zhuǎn)變得益轉(zhuǎn)化于2020年與廣東天物新材料科技有限公司簽訂的產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)議，探索從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)化路徑。

廣州碳思科技有限公司是廣東天物新材料科技有限公司旗下的子公司，主要負(fù)責(zé)智能監(jiān)護(hù)床墊的研發(fā)與推廣。該公司副總經(jīng)理黃景誠表示，從“1”到“10”，企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)思路要跟著市場需求走，并要求在最短的時間內(nèi)開發(fā)出一個穩(wěn)定可靠、可量產(chǎn)的產(chǎn)品推向市場，考量的是技術(shù)應(yīng)用的成熟度、研發(fā)周期與成本周期等因素，以及產(chǎn)品的質(zhì)量、價(jià)格、性能等競爭優(yōu)勢。

“從樣品到產(chǎn)品，中間會經(jīng)歷無數(shù)個技術(shù)改良與迭代升級，這也是每一個新產(chǎn)品推向市場的必經(jīng)之路?！秉S景誠說。

在五邑大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，對“仿生手指”的研發(fā)應(yīng)用還在繼續(xù)。

“當(dāng)提起智能仿生手指，別人一聽，覺得好像很神奇、很科幻，但應(yīng)用點(diǎn)在哪里呢？如何解決人們?nèi)粘Ｉ钪械碾y題痛點(diǎn)？這個問題需要結(jié)合社會發(fā)展需求進(jìn)行思考。至于能否引起某一領(lǐng)域的技術(shù)變革？我認(rèn)為言之尚早?！绷_堅(jiān)義說，“我們期望能有更多企業(yè)家參與進(jìn)來，帶著問題與思考，一起探討找到技術(shù)應(yīng)用的最優(yōu)切入點(diǎn)，解決工業(yè)生產(chǎn)或醫(yī)學(xué)研究上的難題與需求?！?/p>