不用芯片，不靠電，3D打印軟傳感器讓機器人長出“機械反射弧”

無需電驅動的機器人來了！

近期，新加坡國立大學團隊開發了一種新型純機械軟力傳感器（ME-SOFS），它能將施加的力直接轉化為驅動執行器的流體流動，進而形成一個完整的從感知到執行的回路。并且，整個過程完全不需要外部電源、有源電子元件或計算芯片。

值得關注的是，它在高溫（90℃）、高壓（約 11 米水深）和電磁干擾環境下仍能夠穩定工作。與此同時，通過調整三個核心參數，不同設計方案間的靈敏度差異可達 92 倍以上，且支持不同尺寸、材料、多孔結構的變體設計。

基于這種新方法可制造出結構更簡單，以及在條件更苛刻的環境中運行的軟體機器人。這種從直接的感知到動作的響應方式，使該系統具有廣泛的應用前景，有望在醫療、假肢和人機交互等場景應用。

例如，在未來的醫學培訓中，有望讓受訓者感受到與專家執行復雜動作時相同的力反饋。在機器人輔助老年護理場景下，可能幫助機械臂做出像人類“神經反射”那樣做出反應，一旦感知到跌倒導致的負荷突然增加，就立即提供更強的支撐。相關論文發表在 Science Advances[1]。

圖丨機械傳感手套（來源：Science Advances）

不用電，它如何像“神經反射”一樣工作？

隨著技術的發展，機器人在柔軟度和靈活度上愈發成熟，但配套的感知系統卻沒有與之共同匹配，相反它們不僅越來越重，價格越來越貴，還越來越耗電。

從實際應用的角度考慮，如果一個軟體機器人要去海底執行探測任務，一系列組件不僅是器件重量方面的“負擔”，也增加了器件整體的復雜性，故障點也響應增高，尤其在電子元件極易受到干擾的環境下（例如潮濕、高溫或高壓等）。

受自然界利用細胞（本質上由流體主導）在各種不同環境中構建觸覺傳感器啟發，研究人員希望驗證，充滿流體的通道是否能夠同時承擔觸覺感知與觸覺反饋功能。

與傳統的電子電路路線不同，ME-SOFS 采用的是 3D 打印的柔軟多孔結構，并通過中央柱體傾斜擠壓不同方向的流體腔室，其中四個水平排列，一個垂直排列。

當外力施加在中心軟柱時，后者會朝著受力方向傾斜，相應腔室內的水被擠壓出去，并驅動流體通過軟管流向另一端執行器。每個腔室都可以獨立響應，傳感器能夠檢測并分離三個方向的力，包括水平、側向和垂直。

整個過程無需任何電子轉換：首先將施加在傳感器上的力轉化為流體運動，再由流體直接驅動執行器完成動作。

（來源：Science Advances）

為了在機械輸出的同時產生可讀的電信號，該團隊集成了一個無源電路：軟管里嵌著圓柱形磁鐵，軟管上方則是 3D 打印的低熔點合金弧形線圈，再根據法拉第電磁感應定律產生電壓脈沖。

信號峰值的數量對應磁鐵穿過的弧數，而弧數直接反映了水的位移量（即施加力的大小）。這樣，力的信息被編碼成一串可讀的數字信號，并且該信號的產生本身不需要任何外部電源。

由于傳感器的設計由可調幾何參數定義，主要是中心泡沫的孔徑、斜面厚度和斜面角度，因此只需改變 3D 打印的數字模型，即可調整其靈敏度以適應不同的任務。

結果顯示，這種設計架構具有極高的魯棒性。可以說，ME-SOFS 在一定程度上實現了與人類似的“條件反射”，為軟體機器人的具身智能開辟了一種新的技術方案。

從觸覺反饋到極端環境：驗證無源機器人的潛力

為了展示多功能性，研究團隊將該傳感器集成到多個機器人平臺中。研究人員使用單一材料，在無需人工組裝的前提條件下，通過一次連續的 3D 打印工藝，就能制造出一個包含五個微型 ME-SOFS 單元的柔軟手套，每個指尖各集成一個體積為 1 立方厘米的傳感器單元。

ME-SOFS 在假肢和人機交互領域表現出應用潛力。經研究團隊驗證，當在手上佩戴該手套，不僅可實現檢測每個指尖的抓握力，還能預測所抓握物體的重量。

此外，該團隊還將該傳感器連接到佩戴在人指尖的柔軟觸覺墊上，創建了一個觸覺反饋系統。當操作人員蒙住雙眼，僅通過觸摸就實現了控制機械臂的抓取動作：機械臂夾爪檢測到的力會以流體壓力的形式傳遞到觸覺墊上，能夠直接感知機器人抓取各種物品的力度，包括雞蛋、木塊和半瓶水。

成功抓取的記錄信號隨后可作為示教數據，用于訓練機器人自主復現相關動作。實驗顯示，通過 3 米長的流體管道傳輸信號，延遲僅 30 毫秒；而在 15 米管道延遲則為 160 毫秒，有利于滿足觸覺遠程操作的需求。

圖丨利用 ME-SOFS 創建傳感-驅動回路（來源：Science Advances）

同樣的傳感到行動回路，還可在無需任何軟件的條件下，引導單個液滴通過微型流體控制器，并驅動一組微型纖毛狀柔性陣列，這些結構會根據檢測到的力的方向和強度而彎曲，這種特性有利于未來應用于便攜式醫療診斷設備。

在研究實驗中，ME-SOFS 展現優異的性能：在 90°C （194°F） 的熱水和水下 110 千帕壓力（相當于 11 米水深的高壓）環境下，靈敏度均保持穩定不變。其開放式流體通道與周圍水壓相平衡，因此傳感器僅讀取施加的力，受到環境條件的影響相對較小。

此外，由于它不含任何電子元件，因此在一定程度上減少了電磁干擾的影響。這些優勢對于需要部署在深水探測、高溫管道檢修等嚴苛環境中的機器人來說十分關鍵，這些場景是現有電子傳感器很難實現的。

總體來看，觸覺反饋回路讓人類“教”機器的過程變得更加直觀和自然，未來有望為工業培訓、遠程操作以及虛擬現實交互提供一種新的觸覺反饋方案。

在未來的研究階段中，該團隊將繼續深入探索，包括基于該系統在驅動力方面的可擴展性和小型化特性探索多種應用。當感知、反饋與執行能夠在物理世界中自然完成，機器人的身體本身，或許開始成為智能的一部分。

參考資料：

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

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成