港城大突破性电子皮肤：机器人从此拥有“痛觉反射弧“

🚨 机器人终于“懂疼”了！港城大7毫秒神经形态电子皮肤，复刻人类脊髓反射，改写人机交互安全范式

当尖锐物体刺向人类手指，脊髓会在信号传至大脑前直接触发缩手反射——这种进化赋予的本能保护机制，如今被香港城市大学团队完美复刻到机器人身上。2月22日，于欣格教授团队的研究成果发表于《美国科学院院报》，其开发的神经形态电子皮肤（NRE-skin），首次让机器人具备类人的痛觉感知与损伤自检能力。这一突破不仅颠覆了传统机器人的触觉响应逻辑，更可能彻底改写人机共处的安全规则。

一、传统机器人的“致命短板”：触觉响应的“层层审批”困局

在机器人深入家庭、医院等人类场景的当下，传统触觉系统的缺陷早已成为安全隐患。其核心问题在于“中心化处理”的响应逻辑，导致保护性动作严重滞后。

传统机器人的触觉响应流程，堪称“层层审批”的低效模式：

1. 传感器检测到机械刺激（如碰撞、穿刺）；
2. 信号需完整传输至中央处理器进行分析、判断；
3. 处理器下达指令至执行机构，触发避让或保护动作。
   这种模式下，即使是简单的保护性反射，响应延迟也常达数十毫秒。在高频互动或危险场景中（如护理机器人接触婴儿、工业机器人协作作业），短暂的延迟就可能造成不可逆的损伤。

而人类的痛觉反射之所以高效，核心在于“分布式外周神经处理”——脊髓作为“中转站”，无需等待大脑指令即可直接触发反射，这也成为NRE-skin的仿生设计核心。

二、NRE-skin的革命性突破：复刻人类神经架构，实现7毫秒“本能反射”

NRE-skin的颠覆之处，在于完全模拟人类外周神经系统的结构与功能，将“信号分析”前置到皮肤本身，彻底摆脱对中央处理器的依赖，实现堪比人类的快速响应。

（一）仿生神经架构：脉冲编码，单线传输多路信号

NRE-skin的核心是一套高度仿生的神经形态设计，将触觉信号转化为类似神经脉冲的电信号进行处理：

1. 信号转化：当压力传感器检测到机械刺激时，内置的环形振荡器会将刺激强度、位置等信息，转化为不同频率的电脉冲——就像人类神经末梢将触碰、疼痛转化为差异化电信号；
2. 层级处理：三层层级网络对脉冲进行精密编码：
   • 脉冲形状：定位刺激的大致区域；
   • 脉冲宽度：锁定具体区块；
   • 脉冲幅度：精确定位触点坐标；
3. 高效传输：通过这套编码逻辑，实现“单线传输多路信号”，大幅提升信息传输效率，减少延迟。

（二）痛觉反射的“最高优先级”：7毫秒响应，堪比人类脊髓反射

真正的颠覆性突破，发生在“疼痛阈值被突破”的瞬间：

• 研究团队在电子皮肤中植入了“类疼痛评估中心”，为不同强度的刺激设定阈值；
• 当累积脉冲超过“疼痛阈值”，系统会立即启动“红色警报”，且疼痛脉冲享有最高优先级传输特权——直接绕过中央处理器，直达局域电机控制器；
• 最终，机器人能在7毫秒内完成缩臂、闪避等保护动作，响应速度与人类脊髓反射几乎持平；
• 更精妙的是，在完成本能反射后，系统才会向主控芯片发送“疼痛报告”，指挥机器人做出类似“龇牙咧嘴”的痛苦表情，实现“本能保护+主动反馈”的完整闭环。

三、不止“懂疼”：自适应敏感度+损伤自检，适配复杂人类场景

NRE-skin的优势不止于快速响应，其内置的自适应调节与损伤自检系统，让机器人更能适配多样化的人类活动场景，进一步提升交互安全性。

（一）差异化敏感度：像人类一样“因材施教”

研究人员为机器人不同身体部位，设置了差异化的痛觉敏感度参数，完美贴合实际使用需求：

• 机械手指：痛阈设定相当于人类指尖水平，能对0.5牛顿的轻微压迫产生反应，确保精细操作（如抓取易碎品、接触婴儿）的安全性；
• 躯干部位：调整为可承受5牛顿冲击的“厚脸皮”模式，避免因轻微碰撞就触发不必要的反射，提升交互流畅性。

（二）内置“生命监测”：300秒无信号即判定“皮肤坏死”

每个传感器单元都内置了“生命电阻”，会定期发送“心跳脉冲”，形成一套完整的损伤自检机制：

• 正常状态下，系统持续接收各单元的“心跳脉冲”，确认皮肤完好；
• 一旦某区域连续300秒未检测到脉冲，系统立即判定该处“皮肤组织坏死”（如传感器损坏、线路断裂）；
• 自动标记损伤坐标并启动报警协议，提醒工作人员及时维护，避免因触觉盲区引发安全事故。

（三）模块化设计：5分钟更换，维护成本降低83%

传统电子皮肤多为整体设计，一旦局部损坏就需整体替换，不仅成本高，还影响使用效率。NRE-skin的模块化设计彻底解决这一痛点：

• 采用磁吸接口的皮肤单元，拆卸、更换仅需5分钟，操作像更换手机壳一样简便；
• 实验数据显示，这种设计使维护成本降低83%，大幅提升了技术的商业化可行性。

四、实测验证：9毫秒规避80℃高温，传统系统望尘莫及

为验证NRE-skin的实际防护效果，研究团队进行了高温接触实验，结果令人惊艳：

• 装配NRE-skin的机械臂，在接触80℃高温表面时，仅用9毫秒就完成撤离动作，皮肤未出现不可逆损伤；
• 而传统机器人系统平均需要47毫秒才能响应，期间皮肤已因高温造成永久性损坏。

这一对比充分证明，NRE-skin的快速响应能力，能有效规避真实场景中的突发危险，为机器人进入家庭、医院等敏感场景奠定基础。

五、学界认可与未来展望：从单触点到多触点，适配复杂人机交互

这项技术突破已获得学界权威认可。麻省理工学院机械工程系教授赵选贺评价：“将神经形态计算与触觉感知结合，相当于给机器人装上了分布式外周神经系统，是人机交互领域的里程碑式进展。”

目前，研究团队已着手开发第二代NRE-skin，核心目标是提升多触点同步感知能力——这一升级对复杂场景至关重要：比如护理机器人需同时完成“怀抱婴儿”与“避让家具”两个动作，就需要皮肤同时处理多个触点的信号，做出精准判断。

六、总结：当机器人“懂疼”，人机共处的新纪元开启

港城大的NRE-skin技术，本质上是让机器人拥有了“生存本能”——通过复刻人类的痛觉反射与神经处理逻辑，打破了“机器人=冰冷机器”的固有认知。

这项突破背后，是三个核心技术逻辑的胜利：

1. 从“中心化处理”转向“分布式仿生”——借鉴生物进化的最优解，解决技术瓶颈；
2. 从“单一触觉感知”升级为“痛觉+自检+自适应”的综合防护体系——贴合真实人机交互的复杂需求；
3. 从“实验室技术”落地为“低成本可维护”的实用方案——为商业化铺平道路。

当机器人开始懂得“怕疼”，当它们能在7毫秒内本能规避危险，人类与机器人的距离便又近了一步。或许在不久的将来，护理机器人能安心怀抱婴儿，工业机器人能与工人无缝协作，而这一切的起点，正是这块能“感知疼痛”的电子皮肤。

你认为具备痛觉感知的机器人，最适合率先应用于哪个场景？是家庭护理还是工业协作？欢迎在评论区分享你的观点！