在電影《十二生肖》里，有這樣一個情節：成龍戴上一雙多點裝置著傳感器的白手套，圍著銅像獸首環繞一周，獲得全方位掃描的三維數據，同步傳輸到另一端的電腦上，在3D打印技術的幫助下實現1：1還原復刻。

當科幻電影橋段照進現實：在五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心的實驗室里，一個智能仿生手指“觸摸”了人體組織物理模型的表面后，一張準確描繪出肌肉組織和骨骼、血管位置的3D建模輪廓圖立刻展現眼前。這是五邑大學應用物理與材料學院院長、柔性傳感材料與器件研究開發中心主任羅堅義帶領科研團隊研發的最新成果——以人類手指為靈感，創造一個具有集成觸覺反饋系統的仿生傳感器。

圖為具有觸覺斷層掃描成像功能的智能仿生手指概念圖。受訪者供圖

與成龍的“白手套”相比，羅堅義的“仿生手指”是否不相伯仲？為什么它能在五邑大學的實驗室被研發出來？從實驗室走出來，“仿生手指”能應用到哪些社會生活情景，能否帶來某一領域的技術變革……帶著這一連串問題，南方日報記者走訪了五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心，并對羅堅義的科研團隊進行了專訪。

“仿生手指”是什么？

在日常生活中，觸覺感知對人類獲取環境信息起著非常重要的作用，它甚至可以使人類在缺失視覺的情況下通過觸摸來感知環境中復雜的信息。這是由于人類手指具有高密度的神經末梢，使其具有高靈敏度的觸覺感知，不僅可以感知物體表面信息，如表面輪廓、表面紋理以及物體軟硬度，還可以粗略地感知物體表層下的內部結構。

“我們的課題研究靈感來自人類手指。”羅堅義一邊伸出手掌，一邊向記者解說，“當人們用手指觸摸自己的身體時，不僅能感覺到皮膚的質地，還能感覺到皮膚下血管、骨骼的輪廓分布。”

羅堅義從事柔性傳感材料與應用研究已有多年，基于自主研發的碳纖維基觸覺傳感器，他帶領的科研團隊已經研發出柔性觸覺傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器和彎曲傳感器等項目應用。受啟發于人類手指的高靈敏觸覺感知機制，羅堅義從“模擬”出發，帶領團隊沿著柔性觸覺傳感器的研究開發一路前進，探索創造一個具有集成觸覺反饋系統的仿生傳感器。

根據羅堅義科研團隊發表在《細胞報告-物理科學》的論文，“仿生手指”在觸摸了物體的表層后，即可把數據反饋傳輸至電腦上，繪制出反映物體內部形狀和紋理的3D地圖，區別以往只能識別和區分物體外部形狀、表面紋理和硬度的傳感器。這項技術聽起來比成龍手上只能獲取獸首表面信息的“白手套”還要先進！

“利用內置的碳纖維基觸覺傳感器和觸覺反饋系統，仿生手指在物體上移動觸摸時，會通過施加壓力進行‘掃描’。每觸摸一次，碳纖維就會被壓縮一次，壓縮的程度反饋所收到的壓力大小，通過設定恒定壓力，記錄不同測量點之間探測頭的移動位移量，提供物體相對硬度或柔軟度的信息，這些信息連同位置數據一起被傳送到電腦上，以3D圖像的形式呈現物體外部及內部的結構。”論文通訊作者、五邑大學講師陳智明解釋道。

圖為智能仿生手指對柔性電子器件內部結構的無損檢測及三維輪廓圖重構。受訪者供圖

“在研發的過程中，我們不僅要用好碳纖維基觸覺傳感器的超靈敏、低功耗、自適應等特點，還要思考如何模擬指尖的神經反饋系統，建立相應的軟件系統，將獲取的物理信息量化處理，轉化成可視化的數據，建立‘閉環反饋’機制。”羅堅義補充，“這是最難的一點，目前市面上大多數機器人控制還只是按照設定程序進行單向控制，無法有效利用敏感的觸覺傳感技術及時反饋和調整機器的運動軌跡，實現閉環反饋控制。”

實驗室里，研究人員測試了仿生手指繪制多種材料構成的復雜物體內外部特征的能力——它不僅能區分柔軟的外涂層和內部堅硬的脊狀結構，還準確“畫”出人體組織物理模型內部的輪廓圖。另一邊，當仿生手指“摸過”一個有缺陷的封裝后的電子器件，隨之創建內部組件的3D地圖，并精確地定位了電子電路引線斷點的位置，可識別出一個沒有穿透外層的不正確鉆孔。

為何能在五邑大學研發出來？

如前文所言，“仿生手指”并非某個單一學科的產物，它的研發涉及物理學、材料學、電子信息、通信工程、智能制造等多個學科，是一個跨學科融合的集成式創新項目。

早于2017年，羅堅義科研團隊在國際上首次發現碳纖維材料具有感溫感力的高靈敏傳感特性，它以一種全新的傳感結構、機理，為傳感器領域的創新研發提供了新思路：以同一種碳纖維絲為“積木”單元，通過構建不同的受力和感溫結構，制備出不同感知類型的傳感器。

在碳纖維柔性傳感材料這一領域取得重大突破之后，羅堅義團隊感到十分振奮，立即向學校領導作報告。彼時，五邑大學正成為廣東省高水平理工科大學建設高校，明確了“應用型人才培養特色鮮明，服務地方產業發展能力突出”的建設目標，著力高素質創新型應用型技能型人才。

獲此信息后，五邑大學學校領導層意識到這是一個不可錯過的重大科技創新機遇，當機立斷成立“柔性傳感材料與器件研究開發中心”，并投入首期建設經費2000萬元。羅堅義擔任中心主任，負責課題研發、項目運作、高層次人才引進、高素質人才培養等工作。

筑巢引鳳棲，花開蝶自來。有了研發中心這個大平臺，羅堅義開始“招兵買馬”，先后從中山大學、華中科技大學、華南理工大學等高校引入物理、材料等學科背景的博士人才，并以課題組為單位，構建了“導師+研究生+本科生”的課題研究生態。

“我們的研究往往包含了材料、器件、電路、軟件以及應用等學科內容，所以會以一個課題項目小組為單位開展工作。通常，38個研究生各為課題組的項目負責人，每個研究生帶著大約10名本科生組員開展分工合作，如設置電路組、軟件組、以及器件組等。”陳智明解釋，“在導師的帶領下，一般以組會的形式討論項目進度、擬定下一步的實驗計劃，并鼓勵學生依托項目參加挑戰杯等創新創業比賽。”

據介紹，柔性傳感材料與器件研究開發團隊成立至今，圍繞碳纖維材料的感溫感力功能，通過構建不同的受力和感溫結構，研發出應力、溫度、彎曲、氣壓共四大類柔性傳感器，并驗證了這些器件在中醫遠程診療系統的脈搏檢測、人體體溫檢測、運動肌肉檢測、高鐵表面氣流動力學測試等方面的潛在應用，涉及科研成果轉化為高價值專利達80余項。

例如，基于柔性氣壓傳感器技術研發的“舌壓儀”，通過實時記錄口腔舌肌壓力數值，讓醫生及時了解吞咽障礙患者的治療效果，并讓患者通過曲線圖直觀了解康復進程。五邑大學副教授溫錦秀表示，舌壓儀是由她帶領研究生周廷亮、張凱邦，聯合中山大學附屬口腔醫院口腔頜面外科護士長楊冬葉共同研發出來的，該項目打破了美國和日本在這一領域的技術壟斷，每臺儀器的采購成本預計可降低數萬元。據介紹，該項產品目前已經走出實驗室，通過專利許可和專利轉讓的方式進入江門市舒而美醫療用品有限公司的生產線，預計今年內實現投產。

“通常情況下，導師負責天馬行空，提出各種想法，研究生相當于項目經理，帶著團隊成員反復驗證項目的可行性，在一個個失敗或成功中增長學科知識、積累科研經驗，一步步成長為具備跨學科背景的綜合型創新人才。”羅堅義補充。“仿生手指”同樣也是在這樣的創新鏈條人才培養模式下，經由2屆研究生及本科生“接棒”研發出來。

從實驗室到應用，還需要邁過幾道坎？

走出實驗室，“仿生手指”將會有哪些應用場景？

“區別于X射線或超聲波的掃描成像，這項觸覺感知技術為人體和柔性電子產品的無損檢測開辟了一條非光學的道路。”羅堅義認為，未來，類似于外科醫生的觸診，仿生手指甚至可以識別人體的簡單組織結構。

陳智明表示，未來這項技術主要有兩個發展方向，一個是斷層掃描成像技術，團隊將進一步提高數據量化處理的精準度，以提升“仿生手指”的檢測靈敏度和分辨率，使其可以媲美于光學檢測技術。另一個方向是智能仿生機器人技術，他們團隊計劃將仿生手指與仿生機器人的研發相結合，開發出具有和人類相似機動性和感知功能的仿生機器人，并嘗試將仿生手指與人的假肢結合，幫助殘疾人恢復對外界環境的觸覺感知。

陳智明口中的“未來”還有多遠？從實驗室到應用，“仿生手指”還需要邁過幾道坎？羅堅義回答：“至少還有3道門檻。”

“‘仿生手指’的面世，是‘從0到1’的突破。而實現‘從1到10’的推進是第一道門檻，即工程研發階段，它需要論證這項技術的開發成本、市場需求、生產周期等要素。”羅堅義說，“第二道門檻便是提升技術成熟度，即進入產業鏈后，要根據實際應用需求不斷地迭代升級，提高產品的良品率。最后一道門檻則是金融、資本的投入，任何一項新技術的轉化應用，前期需要投入大量的科研資金，還要承擔較大的失敗風險，如何讓投資人認可你的產品潛在價值是十分重要的一環。”

在柔性傳感材料與器件研究開發中心，陳智明向記者展示了已經完成技術轉化應用的智能監護床墊：當人躺上去以后，一側的電腦屏幕上立即顯示心率、呼吸率、呼吸信號曲線圖、體動信號曲線圖等內容，并提供睡眠質量監測數據。據介紹，該產品可以應用于居家養老、機構養老、術后病人健康監測等情景。

陳智明介紹，這張柔軟可彎曲折疊的輕薄床墊運用了應力、溫度、氣壓等柔性傳感器技術，從技術到產品的成功轉變得益轉化于2020年與廣東天物新材料科技有限公司簽訂的產學研合作協議，探索從實驗室到生產線的轉化路徑。

廣州碳思科技有限公司是廣東天物新材料科技有限公司旗下的子公司，主要負責智能監護床墊的研發與推廣。該公司副總經理黃景誠表示，從“1”到“10”，企業的產品研發思路要跟著市場需求走，并要求在最短的時間內開發出一個穩定可靠、可量產的產品推向市場，考量的是技術應用的成熟度、研發周期與成本周期等因素，以及產品的質量、價格、性能等競爭優勢。

“從樣品到產品，中間會經歷無數個技術改良與迭代升級，這也是每一個新產品推向市場的必經之路。”黃景誠說。

在五邑大學的實驗室里，對“仿生手指”的研發應用還在繼續。

“當提起智能仿生手指，別人一聽，覺得好像很神奇、很科幻，但應用點在哪里呢？如何解決人們日常生活中的難題痛點？這個問題需要結合社會發展需求進行思考。至于能否引起某一領域的技術變革？我認為言之尚早。”羅堅義說，“我們期望能有更多企業家參與進來，帶著問題與思考，一起探討找到技術應用的最優切入點，解決工業生產或醫學研究上的難題與需求。”