Improving Sensing Coverage and Compliance of 3D-Printed Artificial Skins Through Multi-Modal Sensing and Soft Materials
作者: Carson Kohlbrenner, Caleb Escobedo, Sayak Ray, Alexander Dickhans, Anna Soukhovei, Nickolaus Jackoski, Lyle Antieau, Alessandro Roncone
分类: cs.RO
发布日期: 2026-04-28
备注: This work was accepted at the "Towards Large-Area Tactile Sensing Skins: From Scalable Materials to Embodied Robotic Perception" workshop at the International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2026
💡 一句话要点
提出基于多模态传感和软材料的3D打印人工皮肤，提升传感覆盖和顺应性
🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)
关键词: 人工皮肤 3D打印 多模态传感 飞行时间 自电容
📋 核心要点
- 现有3D打印人工皮肤通常仅限于单模态传感和刚性材料，限制了其在复杂环境中的应用。
- 本文提出一种结合ToF和自电容传感的混合人工皮肤，利用软材料提升顺应性和触觉感知能力。
- 实验表明，该人工皮肤能够实现接触检测、场景重建以及压力相关的触觉响应，提升了实用性。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种混合飞行时间（ToF）和自电容（SC）传感的人工皮肤，旨在改进3D打印人工皮肤的实用性。该皮肤集成了多模态传感，采用柔软顺应性覆盖层以吸收冲击和感知压力，并简化了打印导电迹线与外部电子设备之间的电气接口。通过在FR3机器人手臂上部署六个人工皮肤单元（共40个传感元件），验证了ToF和SC模态的结合能够实现接触检测、场景重建以及与压力相关的触觉响应。
🔬 方法详解
问题定义：现有3D打印人工皮肤主要面临两个问题：一是传感方式单一，无法提供全面的环境感知信息；二是材料刚性，缺乏对冲击的吸收能力和对压力的灵敏触觉反馈。这些限制了其在机器人、假肢等领域的实际应用。
核心思路：本文的核心思路是结合多种传感模态（ToF和自电容）来弥补单一传感的不足，并采用柔软顺应性材料作为覆盖层，以增强人工皮肤的触觉感知能力和对外部冲击的缓冲。通过多模态融合，可以更全面地感知环境信息，而软材料则能提供更自然的触觉反馈。
技术框架：该人工皮肤系统主要包括以下几个部分：1) 3D打印的传感元件阵列，包含ToF传感器和自电容传感器；2) 柔软顺应性覆盖层，用于保护传感器并提供触觉反馈；3) 导电迹线，用于连接传感器和外部电子设备；4) 数据采集和处理单元，用于读取传感器数据并进行融合处理。整个系统通过3D打印技术实现，可以方便地定制形状和尺寸。
关键创新：该论文的关键创新在于：1) 多模态传感融合：将ToF和自电容两种传感方式集成到同一人工皮肤中，实现了接触检测、场景重建和压力感知的多功能性。2) 软材料的应用：采用柔软顺应性材料作为覆盖层，不仅提供了更好的触觉反馈，还增强了人工皮肤的耐用性和安全性。3) 简化的电气接口：设计了简化的导电迹线和电气接口，方便与外部电子设备连接。
关键设计：ToF传感器用于测量距离，自电容传感器用于感知压力。软材料的选择需要兼顾柔软性和耐用性，具体参数未知。数据融合算法未知，可能涉及卡尔曼滤波或其他融合方法。传感器的排布方式和密度未知，可能需要根据具体应用场景进行优化。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该研究成功地将ToF和自电容两种传感模态集成到3D打印人工皮肤中，实现了接触检测、场景重建和压力感知的多功能性。通过在FR3机器人手臂上部署六个人工皮肤单元，验证了该人工皮肤的有效性。具体的性能数据（如接触检测精度、场景重建误差、压力感知范围等）未知，但实验结果表明该人工皮肤具有良好的实用价值。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于机器人触觉感知、假肢、虚拟现实等领域。在机器人领域，人工皮肤可以提升机器人对环境的感知能力，使其能够更安全、更有效地与人类互动。在假肢领域，人工皮肤可以为截肢者提供更真实的触觉反馈，提升其生活质量。在虚拟现实领域，人工皮肤可以增强用户的沉浸感，提供更逼真的交互体验。
📄 摘要（原文）
3D-printed artificial skins are a scalable approach to whole-body tactile and proximity coverage, but prior implementations have been limited to unimodal sensing and rigid materials. To improve the practical usability of 3D-printed artificial skins, we present a hybrid time-of-flight (ToF) and self-capacitance (SC) sensing skin that demonstrates multi-modal sensing integration, soft compliant coverings for impact absorption and pressure sensing, and a streamlined electrical interface between printed conductive traces and external electronics. We show that combining ToF and SC modalities enables contact detection, scene reconstruction, and pressure-correlated tactile responses with the compliant covering by deploying six artificial skin units with 40 sensing elements over an FR3 robot arm.