不用芯片:不靠电:3D打印软传感器让机器人长出机械反射弧

无需电驱动的机器人来了！

近期，新加坡国立大学团队开发了一种新型纯机械软力传感器（ME-SOFS），它能将施加的力直接转化为驱动执行器的流体流动，进而形成一个完整的从感知到执行的回路。并且，整个过程完全不需要外部电源、有源电子元件或计算芯片。

值得关注的是，它在高温（90℃）、高压（约 11 米水深）和电磁干扰环境下仍能够稳定工作。与此同时，通过调整三个核心参数，不同设计方案间的灵敏度差异可达 92 倍以上，且支持不同尺寸、材料、多孔结构的变体设计。

基于这种新方法可制造出结构更简单，以及在条件更苛刻的环境中运行的软体机器人。这种从直接的感知到动作的响应方式，使该系统具有广泛的应用前景，有望在医疗、假肢和人机交互等场景应用。

例如，在未来的医学培训中，有望让受训者感受到与专家执行复杂动作时相同的力反馈。在机器人辅助老年护理场景下，可能帮助机械臂做出像人类“神经反射”那样做出反应，一旦感知到跌倒导致的负荷突然增加，就立即提供更强的支撑。相关论文发表在 Science Advances[1]。

图丨机械传感手套（来源：Science Advances）

不用电，它如何像“神经反射”一样工作？

随着技术的发展，机器人在柔软度和灵活度上愈发成熟，但配套的感知系统却没有与之共同匹配，相反它们不仅越来越重，价格越来越贵，还越来越耗电。

从实际应用的角度考虑，如果一个软体机器人要去海底执行探测任务，一系列组件不仅是器件重量方面的“负担”，也增加了器件整体的复杂性，故障点也响应增高，尤其在电子元件极易受到干扰的环境下（例如潮湿、高温或高压等）。

受自然界利用细胞（本质上由流体主导）在各种不同环境中构建触觉传感器启发，研究人员希望验证，充满流体的通道是否能够同时承担触觉感知与触觉反馈功能。

与传统的电子电路路线不同，ME-SOFS 采用的是 3D 打印的柔软多孔结构，并通过中央柱体倾斜挤压不同方向的流体腔室，其中四个水平排列，一个垂直排列。

当外力施加在中心软柱时，后者会朝着受力方向倾斜，相应腔室内的水被挤压出去，并驱动流体通过软管流向另一端执行器。每个腔室都可以独立响应，传感器能够检测并分离三个方向的力，包括水平、侧向和垂直。

整个过程无需任何电子转换：首先将施加在传感器上的力转化为流体运动，再由流体直接驱动执行器完成动作。

（来源：Science Advances）

为了在机械输出的同时产生可读的电信号，该团队集成了一个无源电路：软管里嵌着圆柱形磁铁，软管上方则是 3D 打印的低熔点合金弧形线圈，再根据法拉第电磁感应定律产生电压脉冲。

信号峰值的数量对应磁铁穿过的弧数，而弧数直接反映了水的位移量（即施加力的大小）。这样，力的信息被编码成一串可读的数字信号，并且该信号的产生本身不需要任何外部电源。

由于传感器的设计由可调几何参数定义，主要是中心泡沫的孔径、斜面厚度和斜面角度，因此只需改变 3D 打印的数字模型，即可调整其灵敏度以适应不同的任务。

结果显示，这种设计架构具有极高的鲁棒性。可以说，ME-SOFS 在一定程度上实现了与人类似的“条件反射”，为软体机器人的具身智能开辟了一种新的技术方案。

从触觉反馈到极端环境：验证无源机器人的潜力

为了展示多功能性，研究团队将该传感器集成到多个机器人平台中。研究人员使用单一材料，在无需人工组装的前提条件下，通过一次连续的 3D 打印工艺，就能制造出一个包含五个微型 ME-SOFS 单元的柔软手套，每个指尖各集成一个体积为 1 立方厘米的传感器单元。

ME-SOFS 在假肢和人机交互领域表现出应用潜力。经研究团队验证，当在手上佩戴该手套，不仅可实现检测每个指尖的抓握力，还能预测所抓握物体的重量。

此外，该团队还将该传感器连接到佩戴在人指尖的柔软触觉垫上，创建了一个触觉反馈系统。当操作人员蒙住双眼，仅通过触摸就实现了控制机械臂的抓取动作：机械臂夹爪检测到的力会以流体压力的形式传递到触觉垫上，能够直接感知机器人抓取各种物品的力度，包括鸡蛋、木块和半瓶水。

成功抓取的记录信号随后可作为示教数据，用于训练机器人自主复现相关动作。实验显示，通过 3 米长的流体管道传输信号，延迟仅 30 毫秒；而在 15 米管道延迟则为 160 毫秒，有利于满足触觉远程操作的需求。

图丨利用 ME-SOFS 创建传感-驱动回路（来源：Science Advances）

同样的传感到行动回路，还可在无需任何软件的条件下，引导单个液滴通过微型流体控制器，并驱动一组微型纤毛状柔性阵列，这些结构会根据检测到的力的方向和强度而弯曲，这种特性有利于未来应用于便携式医疗诊断设备。

在研究实验中，ME-SOFS 展现优异的性能：在 90°C （194°F） 的热水和水下 110 千帕压力（相当于 11 米水深的高压）环境下，灵敏度均保持稳定不变。其开放式流体通道与周围水压相平衡，因此传感器仅读取施加的力，受到环境条件的影响相对较小。

此外，由于它不含任何电子元件，因此在一定程度上减少了电磁干扰的影响。这些优势对于需要部署在深水探测、高温管道检修等严苛环境中的机器人来说十分关键，这些场景是现有电子传感器很难实现的。

总体来看，触觉反馈回路让人类“教”机器的过程变得更加直观和自然，未来有望为工业培训、远程操作以及虚拟现实交互提供一种新的触觉反馈方案。

在未来的研究阶段中，该团队将继续深入探索，包括基于该系统在驱动力方面的可扩展性和小型化特性探索多种应用。当感知、反馈与执行能够在物理世界中自然完成，机器人的身体本身，或许开始成为智能的一部分。

参考资料：

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb8052

2.https://techxplore.com/news/2026-07-soft-sensor-robotic-action-electronics.html#goog_rewarded

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成