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清华大学朱荣团队研制出多功能感知触觉传感器,助力垃圾分拣


  来源: 中国科学报 时间:2021-07-21 编辑:清风
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近日,国家发展改革委、住房和城乡建设部联合印发《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》,明确统筹推进“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施建设工作,加快建立分类投放、分类收集、分类运输、分类处理的生活垃圾处理系统;并提出到 2025 年底,全国城市生活垃圾资源化利用率达到60%左右。


尽管近年来我国生活垃圾分类和处理方面成绩可圈可点,但在部分城市和社区,垃圾分类仍是一个棘手的难题。


日前,清华大学精密仪器系教授朱荣带领团队研制出一种多功能感知触觉传感器。它采用类皮肤的多层结构,将多模感知原位集成,实现对触感、物感、温感等多种感知的高密度集成,将触觉传感器应用于机器手抓握感知,实现了对物品的形状、大小和材料等多属性识别,并成功应用于垃圾分类。


垃圾分拣,也许是时候让人类“躺平”,请机器人出手了。


(智能机器手的材料与工作原理图解。朱荣/供图)


分拣难题


截至去年底,我国首批开展垃圾分类先行先试的46个重点城市中,生活垃圾分类小区覆盖率已达86.6%,生活垃圾平均回收利用率为30.4%,厨余垃圾处理能力从2019年的每天3.47万吨提升到2020年年底的每天6.28万吨。


中国战略性新兴产业环保联盟理事长、住建部科学技术委员会委员张益在肯定我国垃圾分类初步成绩的同时,也表达了目前垃圾分类工作地区差异较大的看法。“除46个重点城市外,多数地级城市和县城生活垃圾分类收运设施有待建立。当前源头分类、撤桶并点难度大,各地还需提高重视程度。”


几天前,北京市丰台区介绍了垃圾分类示范小区(村)的“城市微环境”治理模式,称“小区居民全员参与垃圾分类,投放准确率达90%,桶前值守率达100%”。


90%的准确投放率,依靠的是100%的桶前值守率。也就是说,城市居民在投放垃圾时,还离不开监督人员。实际上,因为部分人分类意识或分类知识的欠缺,不少社区会在垃圾桶前安排督导员进行投放指导。部分小区因源头分类难以推行,干脆配备专人值守垃圾桶前,对居民堆放的垃圾进行破袋和二次分拣。


垃圾分拣对人来说是意识或知识问题,而对于机器人来说则是需要突破的难点。


机器人分拣靠“摸”


“如何快速、准确识别出物体,并完成分选是机器人识别分类的难点。”朱荣告诉《中国科学报》,“人类分拣物体首先依靠视觉鉴别,然后用手完成分选。既然分选需要通过抓握来完成,在抓握过程中,利用触觉进行分类,就可以减少机器人对视觉的要求,在抓握(接触物体)的同时,进行鉴别和分选动作。利用触觉感知,还可以在不具备视觉观察的场景中进行物体识别,比如火场搜救。”


朱荣介绍说,柔性电子感知,具有对周围环境和作用的感知能力,还能针对不同生理参数作出反应,可用于穿戴式生理监测,服务于医疗健康。柔性感知也是智能机器人交互的关键,在机器人非视觉传感技术领域有着十分重要的作用。但目前柔性感知传感器和系统仍然存在技术瓶颈,实际应用面临着巨大的挑战。


针对以上问题,朱荣团队提出一种基于热感应的多维传感新机理,利用热敏膜和外界的传导/对流换热对自身电阻的调控,实现了压力、温度、流场、热物性等参数的集成测量。由于采用简单的薄膜敏感结构和统一的热敏检测原理,这种柔性电子器件具有结构简单、集成度高、低交叉耦合、易调控、成本低等特点。


面向智能机器人对触觉感知的应用需求,该团队又研制出一种将压力、材料热导率、物体温度和环境温度四重感知原位集成的触觉传感器,并将触觉传感器应用于机器人手感知系统,利用深度学习方法将感知转变为机器人对物品的认知,实现了对抓握物品形状、大小、温度和材质等多属性的高精准识别。


“不同物体有不同的机械和热学的特性,利用触觉传感器检测物体的这些属性,可以有效识别出不同物体。”朱荣说,“该传感器可将压力感知与热物性等多模信息进行融合,从而大幅提高物品识别准确率,从基于单模压力感知的69%识别率提高到基于多模感知的96%。”


关键词:传感器 清华大学 朱荣    浏览量:2350

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