研究背景

具身智能作為通用人工智能發展的關鍵方向，強調通過身體與環境的交互實現對復雜任務的自適應處理。其核心理念在于感知、決策與執行的一體化融合，尤其在動態場景中，有助于增強智能體的情境感知與自主決策能力。作為具身智能的關鍵組成，觸覺感知可使智能體獲取來自環境的高保真接觸信息，并結合行為意圖識別，實現人機間更自然的交互。然而，現有傳感器難以同時兼顧接近與壓力感知，傳統壓力傳感器僅在接觸后才能響應；而紅外、超聲等非接觸式系統雖可實現遠距探測，卻易受環境干擾，且無法感知壓力，嚴重制約其在高階人機交互中的應用潛力。為同時實現接近和觸摸感知，現有方案多采用異構架構，將壓力感知與接近感知分開設計，但這種方式會導致信息解耦困難，進而影響系統的穩定性和交互的準確性。

研究成果

針對上述問題，該研究受電鰻環境感知機制啟發，廈門大學廖新勤教授團隊提出了一種仿生電鰻（Bioinspired electric eel，Bio-EE）觸覺界面，構建了融合接近預測與接觸感知的多維具身交互框架。該界面空間感知距離達7 cm，分辨率高達500 μm，具備120 Hz 高頻振動響應能力，可實現最大360 kPa的寬量程壓力檢測范圍。該研究以題為“Dielectrically modified polymer and topologically optimized microstructure enabling in-sensor decoupling for multifunctional human–machine interactions”的論文發表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

研究內容

Bio-EE觸覺界面的設計概念

 Bio-EE觸覺界面借鑒了自然界電鰻的電感與機械感知機制，構建了雙通道仿生感知結構，實現非接觸感知與寬域壓力響應的融合感知能力。其結構集成雙響應（Dual-response，DR）與（composite microstructure，CM）兩種傳感器，分別模擬電鰻的電/機械感受器，通過分區感知策略實現近距離無接觸探測與不同強度壓力的高精度識別。DR傳感器在非接觸區域中可快速響應目標接近，實現預判式系統響應，而CM 傳感器則對持續的接觸壓力刺激表現出良好的區分感知，支持從輕柔觸碰到強力按壓的寬范圍輸入。

Bio-EE觸覺界面的形貌特征與性能

Bio-EE觸覺界面融合了介電修飾的多孔結構和拓撲優化的復合微結構，不僅具備優異的壓力感知能力，還突破了傳統觸覺傳感器在距離感知方面的限制。Bio-EE觸覺界面實現了70mm的距離檢測范圍和500 μm的距離分辨率，能在120 Hz動態頻率范圍內實現快速精準的振動感知。基于Bio-EE觸覺界面強大的距離與壓力感知能力，交互系統能夠精準地識別接近與觸摸意圖，從而減少了響應延遲，提升了情境感知和環境交互能力。

基于Bio-EE觸覺界面的人機交互應用

Bio-EE觸覺界面集成了距離響應與壓力響應能力，通過配備獨立的高精度信號讀取電路，能夠精準感知用戶的接近與觸摸意圖。通過MCU融合處理多源信號并輸出控制指令，Bio-EE實現了從感知、識別到動作執行的閉環意圖驅動控制，廣泛適用于康復外骨骼、無人機、六足機器人等場景，有效提升了人機交互的響應速度、控制精度與交互效率，展示出在復雜任務執行中的優越性能與應用潛力。

基于Bio-EE陣列的虛擬與增強現實交互

通過構建虛實閉環的雙向觸覺交互系統，顯著提升了沉浸感與操作體驗。在虛擬現實和增強現實中，Bio-EE能夠基于接近-觸摸意圖識別，實現虛擬角色的非接觸式與接觸式控制，同時集成可編程幾何溫度反饋陣列，提供多層次的真實痛感反饋，使用戶能從虛擬世界獲得物理反饋并作出真實反應，打通從“現實驅動虛擬”到“虛擬反向反饋現實”的閉環路徑。這一控制與反饋集成設計，顯著提升了虛擬世界中觸覺引導、操作精度和用戶沉浸體驗。

人工智能輔助的紋理識別和身份認證