机器人的“五感”从哪里来？解码具身智能的传感器世界

  人类与世界打交道，靠的是五感：眼睛感受光，耳朵捕捉声，皮肤辨别触压，鼻子识别气味，前庭系统维持平衡。这套精密的感知系统，是我们理解和行动于世界的基础。

  具身智能机器人同样需要感知这个世界。它的“五感”，来自一套精心设计的传感器体系。

  感知是一切行动的前提

  在具身智能机器人的技术架构中，环境感知模块是首要环节。没有感知，就如同人类的眼睛看不见、耳朵听不到，一切行动都无从谈起。

  传感器承担着内部和外部两类感知任务。内部传感器负责采集机器人自身的状态，包括关节角度、运动速度、加速度等；外部传感器则负责探测机器人所处的外部环境，包括物体的形状、空间位置、障碍物距离，以及抓取对象是否滑落等。

  正是这些传感器，让机器人具备了类人的直觉与反应能力，让它能够“看懂”环境、“感受到”反馈，从而与外部世界产生交互。

  视觉：承载80%信息的“眼睛”

  在所有感知手段中，视觉是最核心的一项，承载了机器人约80%的信息获取任务。

机器人的 “眼睛”——视觉传感器

  机器视觉的本质，是为机器植入“眼睛”——利用环境和物体对光的反射，通过光学装置和非接触传感器，自动接收和处理真实物体的图像，获取所需信息或用于控制机器人运动。

  目前主流的机器人视觉方案有三类：

  ToF深度相机（飞行时间法）：发射一束脉冲光，打到物体表面后反射回来，通过测量光的飞行时间来计算距离。原理简洁，响应速度极快，适合实时深度测量。

  双目视觉：模拟人类双眼的工作方式，用两个间隔一定距离的摄像头拍摄同一场景，产生具有视差的两张图像，再通过特征点匹配和三角测量算法计算目标的深度信息——这正是人眼判断远近的原理在机器上的复现。

  3D结构光：主动向物体投射一束有特定图案的光，通过观察光图案在物体表面的变形来计算深度。精度高，常用于工业级精密测量场景。

  此外，激光雷达（LiDAR）也在机器人视觉领域广泛应用，它采用3D激光传感器，测距远且精度高，可直接输出由无数离散点组成的3D点云，尤其在自动驾驶和大范围环境建图中发挥着关键作用。

  力觉：感受力量的“关节神经”

  人在拿起一杯水时，手指会自动感受杯子的重量和形状，并调整握力——太松会掉，太紧会碎。这种对力的细腻感知，对机器人同样至关重要。

  六维力/力矩传感器，就是机器人感知力量的核心部件。它能够在三维空间中完整捕捉力的全部信息：三个方向的力分量（Fx、Fy、Fz）和三个方向的力矩分量（Mx、My、Mz）。

  通过在机器人的手腕、足底或关节处安装六维力传感器，机器人能够精密测量自己的抓取力度，判断物体是否被稳固握持，并据此进行精细的力控操作。无论是灵巧手弹钢琴，还是双足机器人踏地时的受力反馈，都离不开这类传感器的支撑。

  触觉：感知形变的“电子皮肤”

  触觉与力觉不同，它更侧重于接触面上的微观感知。人的皮肤通过感受局部的微小形变和振动，能判断物体的材质、软硬和纹理。

  机器人的触觉传感器，主要有两种技术路径：

  MEMS压力阵列传感器：利用微机电技术（MEMS）制造出微小结构，对介质压力进行敏感检测，将检测到的信号转换为可读取的电信号。体积极小，集成度高。

  柔性传感器（电子皮肤）：利用柔性材料的物理特性，将外部的力学量转换为电学量。这种传感器具有高灵敏度、高柔韧性、响应速度快、延展性强的特点，甚至可以自由弯曲折叠，非常适合包覆在机器人手指和肢体表面，赋予机器人真正意义上的“触感”。

  嗅觉：识别气味的“电子鼻”

  人鼻子能闻到危险气体，从而规避风险。在一些特殊场景中，机器人同样需要这种能力——进入火灾现场时，能否识别出有毒气体，往往决定着任务能否安全执行。

  嗅觉传感器（电子鼻）通过敏感元件与气味分子发生物理或化学反应，将这种反应转化为可量化的电信号，从而识别气体的种类与浓度。目前主要有三种技术方案：

  MOS传感器（金属氧化物半导体）：它内部有一个微型的加热元件，工作时需要保持高温。当特定气体飘过时，会与传感器表面发生反应，导致传感器的导电能力（电阻）发生变化。这种方案成本低、响应快，是目前机器人最常用的常规配置。

  电化学传感器：它的内部结构类似于一个微型电池。气体进入传感器后，会直接与内部的化学物质发生反应并产生微弱的电流。气体浓度越高，电流就越强。由于它平时不需要加热，因此非常省电，而且能够做到“专气专用”，可以精准识别出某一种特定的有毒有害气体。

  QCM传感器（石英晶体微天平）：它不靠化学反应，而是靠检测微观重量。其核心是一个每秒高频振动千万次的石英晶体。当气味分子被晶体表面的敏感膜吸附后，晶体的重量会微幅增加，导致它的振动频率变慢。通过测量频率的变化，它能实现纳克（百亿分之一克）级别的极致测量精度，非常适合对气味要求极高的精尖场景。

  惯性感知：维持平衡的“前庭系统”

  人走路时不会随意摔倒，是因为内耳的前庭系统在持续感知身体的加速度和角速度，帮助大脑维持动态平衡。机器人实现稳定行走的秘密，在于惯性传感器——IMU（惯性测量单元）。

机器人实现稳定行走的秘密——惯性传感器

  IMU集成了加速度计和陀螺仪。加速度计感知沿三个轴向的线性加速度，陀螺仪则测量绕三个轴的角速度。三个加速度计与三个陀螺仪的组合，构成完整的微机电惯性测量单元（MEMS-IMU）。

  机器人实现稳定行走的秘密——惯性传感器

  通过持续高频采集这些惯性数据，机器人能够实时获知自身的姿态、方向和运动状态，从而实现行走稳定性控制、步态协调、抗推搡、跌倒恢复等。

  感官是智能的起点

  视觉感知空间，力觉感受重量，触觉辨别材质，嗅觉识别气体，惯性传感维持平衡，这五类传感器，共同构成了具身智能机器人认知物理世界的感官基础。

  但拥有感官，还只是第一步。感官采集到的数据，是彼此孤立的信息片段——视觉不知道气味，力觉不知道位置。如何将这些来自不同感官的信息整合起来，形成对客观环境的完整理解，正是下一步要解决的问题：多模态融合。

  本文系浙江大学教授、博士生导师、浙江大学具身智能感知与控制实验室（ZEAL Lab）负责人、中国仪器仪表学会科普专家、浙江省仪器仪表学会监事长侯迪波在“智感世界·仪创未来”系列科普直播之从感知到控制：读懂具身智能新科技的主题分享，光明网记者肖春芳整理