金屬超聲波導作為分佈式觸覺傳感平台：接觸定位、力估計與材料分類

在機器人技術中，觸覺傳感對於機器人與世界的交互至關重要，但現有解決方案在傳感面積和系統複雜性之間存在權衡。傳統分佈式觸覺傳感器通常需要大量傳感元件和複雜佈線，限制了其在大面積應用中的可行性。本研究提出了一種創新方法，利用金屬超聲波導作為分佈式觸覺傳感器，僅通過單個近端換能器即可實現全面的觸覺信息採集。該技術通過發射超聲波進入金屬波導，並分析反射和透射信號，從而推斷接觸點的位置、施加的力以及接觸材料的類型。

研究團隊使用圓柱形壓頭，系統測試了單點和多點接觸下不同力和材料對聲學響應的影響。在單點壓痕實驗中，他們發現施加的力與反射/透射係數比（R/T）之間存在精確的線性關係（F = a * R/T），這一關係在測試的全部九種材料中均成立，決定係數R²均不低於0.95。更令人矚目的是，校準斜率a與材料的有效接觸模量具有強相關性（對數-對數Pearson相關係數r=-0.98）。這意味着通過簡單的校準，就可以從聲學信號中直接估計接觸力。

此外，研究還發現反射能量的分佈是一個與載荷無關的參數，它僅取決於接觸材料的固有屬性。這一特性使得在不依賴施加力大小的情況下，即可對接觸材料進行分類。例如，軟質材料和硬質材料會產生不同的反射能量分佈模式。在雙壓頭實驗中，研究人員成功從波導信號中恢復了兩個獨立接觸點的力，結果與參考測力計測量高度一致（接觸1 R²=0.97，接觸2 R²=0.95），驗證了該方法在多接觸場景下的有效性。

為了進一步驗證其實用性，研究團隊將這一方法擴展到二維金屬板。實驗結果表明，不僅能夠準確定位接觸點，還能區分不同接觸材料帶來的聲學效應。這些成果證實了金屬波導作為一種穩健的分佈式觸覺傳感平台的潛力，能夠同時實現接觸定位、力估計和材料分類。

這項技術的意義在於，它顯著簡化了分佈式觸覺傳感器的硬件需求，僅需一個換能器即可覆蓋大面積，有望推動機器人觸覺在醫療手術、智能製造和人機交互等領域的應用。未來的研究方向包括優化波導幾何形狀、提高多點接觸的分辨率，以及探索在曲面上的應用。本論文由Alexandros Rosakis等五位作者共同完成，於2026年7月2日提交至arXiv，收錄於機器人學和信號處理領域。