Da điện tử mới giúp robot cảm nhận cả cái chạm lẫn vật thể chưa tiếp xúc

Robot ngày càng nhìn tốt hơn nhờ camera, cảm biến chiều sâu và trí tuệ nhân tạo, nhưng khả năng “cảm” môi trường xung quanh vẫn còn kém xa con người. Một robot làm việc cạnh chúng ta không chỉ cần biết khi nào nó đã chạm vào một vật thể, mà còn cần nhận ra bàn tay, đồ vật hoặc chướng ngại vật đang tiến đến trước khi va chạm xảy ra.

Một nghiên cứu công bố năm 2026 trên International Journal of Extreme Manufacturing đề xuất một loại da điện tử cảm nhận đồng thời khoảng cách và xúc giác. Hệ thống có tên PNR-PTSA sử dụng nguyên lý cảm biến điện dung và một kiến trúc lấy cảm hứng từ phản xạ đồng tử của mắt người, cho phép thay đổi giữa chế độ phát hiện xa và chế độ cảm nhận có độ phân giải cao ở khoảng cách gần.

Trong thử nghiệm, mảng cảm biến có thể phát hiện vật thể ở khoảng cách hơn 90 mm, đồng thời đo áp lực khi vật thể thực sự chạm vào bề mặt. Nhóm nghiên cứu còn tích hợp cảm biến lên robot hút bụi và robot hình người để thử nghiệm nhận biết chướng ngại vật, phát hiện va chạm, nhận dạng cử chỉ và định vị mục tiêu ở gần.

Vì sao robot cần “cảm” cả trước và sau khi chạm?

Da người chủ yếu cho chúng ta thông tin khi có tiếp xúc vật lý. Robot lại có một yêu cầu khác: để hoạt động an toàn trong môi trường có con người, nó nên nhận biết một vật thể từ trước khi va chạm, sau đó tiếp tục đo lực và vị trí khi tiếp xúc thực sự xảy ra.

Hai nhiệm vụ này thường được xử lý bằng những hệ cảm biến khác nhau. Cảm biến tiệm cận giúp phát hiện vật thể chưa chạm vào robot, trong khi cảm biến xúc giác hoặc áp suất đo lực sau khi tiếp xúc. Việc tích hợp cả hai trên một lớp da mềm, có thể bao phủ các bề mặt cong của robot, là bài toán khó về kích thước, dây dẫn và độ phân giải.

Đặc biệt với cảm biến điện dung, tồn tại một sự đánh đổi: điện cực lớn có thể tạo trường điện rộng hơn và phát hiện vật thể từ xa hơn, nhưng làm giảm độ phân giải không gian. Ngược lại, chia bề mặt thành nhiều điện cực nhỏ giúp xác định vị trí chính xác hơn nhưng thường làm giảm phạm vi phát hiện.

Da điện tử PNR-PTSA lấy cảm hứng từ đồng tử mắt người

Nhóm của Xiaohua Wu, Yingxi Xie và các cộng sự tại South China University of Technology giải quyết sự đánh đổi trên bằng một cấu trúc được gọi là proximity-tactile sensor array, hay PNR-PTSA.

Ý tưởng thiết kế được lấy cảm hứng từ pupillary near reflex – phản xạ của hệ thị giác khi mắt điều chỉnh để nhìn ở các khoảng cách khác nhau. Khi điều kiện quan sát thay đổi, đồng tử có thể co hoặc giãn để điều tiết lượng ánh sáng đi vào mắt. Nhóm nghiên cứu chuyển ý tưởng “thay đổi vùng hoạt động” này sang một mảng cảm biến điện dung.

PNR-PTSA có một lớp che chắn giống đồng tử có thể thay đổi cấu hình điện. Thay vì buộc từng phần tử cảm biến phải hoạt động độc lập với một kích thước cố định, hệ thống có thể điều chỉnh vùng trường điện đang được sử dụng.

Khi cần phát hiện vật thể ở xa, nhiều vùng cảm biến có thể hoạt động theo cách tạo ra một trường điện có phạm vi rộng hơn. Khi vật thể tiến đến gần, hệ thống chuyển sang vùng cảm nhận nhỏ hơn để tăng độ phân giải. Nhờ đó, cùng một kiến trúc có thể đảm nhiệm cả phát hiện tiệm cận lẫn xúc giác.

Robot “nhìn” vật thể bằng điện trường như thế nào?

PNR-PTSA không nhìn theo nghĩa sử dụng ánh sáng như camera. Nó dựa trên hiệu ứng điện dung và trường điện viền.

Các điện cực trên da điện tử tạo ra một trường điện quanh bề mặt. Khi một vật thể tiến vào vùng này, sự phân bố của trường điện thay đổi và kéo theo thay đổi điện dung mà mạch điện có thể đo được. Từ mức biến đổi tín hiệu, hệ thống có thể suy ra sự hiện diện hoặc khoảng cách tương đối của vật thể ngay cả khi chưa có tiếp xúc vật lý.

Khi vật thể chạm vào da điện tử, lớp vật liệu mềm bị nén và khoảng cách giữa các thành phần dẫn điện thay đổi. Sự biến dạng này tạo ra một tín hiệu điện dung khác, cho phép hệ thống chuyển sang đo áp lực.

Vì vậy, cảm biến không cần một ranh giới cứng giữa “đang ở gần” và “đã chạm”. Nó có thể theo dõi quá trình liên tục từ lúc vật thể tiến đến, tiếp xúc, tạo lực rồi rời khỏi bề mặt.

Điện cực dạng fractal giúp tăng độ nhạy

Ngoài lớp che chắn lấy cảm hứng từ đồng tử, nhóm nghiên cứu còn sử dụng thiết kế điện cực dạng fractal. Các hình học này giúp tăng cường trường điện viền – thành phần quan trọng đối với khả năng phát hiện vật thể ở gần nhưng chưa tiếp xúc.

Nhóm cũng tạo các cấu trúc vi xốp trong điện cực và lớp điện môi bằng phương pháp khuôn hy sinh. Vật liệu xốp dễ biến dạng hơn dưới áp lực, nhờ đó làm tăng mức thay đổi điện dung khi có lực tác động.

Theo bài báo, cảm biến đạt độ nhạy khoảng 3,38 × 10⁻² pF/kPa trong vùng áp suất từ 0 đến 22,7 kPa và có thể hoạt động trên dải đo tới khoảng 400 kPa. Mức biến thiên điện dung được báo cáo vượt 2,8 pF.

Phạm vi phát hiện vật thể vượt 9 cm

Một kết quả nổi bật của PNR-PTSA là khả năng thay đổi độ sâu phát hiện theo chế độ hoạt động. Nhóm nghiên cứu báo cáo vùng phát hiện có thể điều chỉnh trong khoảng 24,36–49,83 mm ở các cấu hình độ phân giải khác nhau.

Ở chế độ phát hiện khoảng cách lớn, hệ thống ghi nhận vật thể ở khoảng cách hơn 90 mm. Kiến trúc ba chế độ còn giúp tăng độ sâu phát hiện tối đa tới 104,56% so với một phần tử cảm biến đơn lẻ trong thiết kế được so sánh.

Điều này đáng chú ý vì một robot không nhất thiết phải chờ tới lúc vật thể chỉ còn cách vài milimet mới phản ứng. Khoảng cảnh báo lớn hơn cho phép bộ điều khiển có thêm thời gian để giảm tốc, đổi hướng hoặc chuẩn bị thao tác tiếp theo.

Da điện tử có thể giúp robot tránh va chạm trước khi tiếp xúc

Nhóm nghiên cứu gắn PNR-PTSA lên một robot quét dọn để thử khả năng nhận biết môi trường. Hệ thống được dùng để phát hiện chướng ngại vật ở gần, nhận biết va chạm và phân loại các vật thể thường gặp trong nhà.

Một ví dụ là dây cáp – loại chướng ngại vật có thể gây khó cho robot hút bụi. Cảm biến tiệm cận cho phép robot nhận biết vật thể trước khi thân máy đâm trực tiếp vào nó. Trong các thử nghiệm khác, hệ thống cũng theo dõi một lon kim loại tiến đến và phát hiện khi một ống nước do con người cầm va vào robot.

Về mặt ứng dụng, cách cảm nhận này có thể tạo ra nhiều tầng an toàn. Khi một vật thể còn ở xa, robot có thể nhận biết và điều chỉnh quỹ đạo. Khi khoảng cách giảm, cảm biến chuyển sang chế độ chính xác hơn. Nếu tiếp xúc xảy ra, tín hiệu áp lực cho biết lực va chạm để robot quyết định dừng hoặc lùi lại.

Robot hình người có thể nhận biết cử chỉ không cần chạm

PNR-PTSA không chỉ được thử nghiệm như một lớp chống va chạm. Nhóm nghiên cứu còn sử dụng nó trong giao diện người – máy, nơi cử động của bàn tay được nhận biết ngay trong không khí.

Các tín hiệu từ mảng cảm biến có thể phản ánh cách ngón tay hoặc bàn tay di chuyển trong vùng điện trường. Trong thử nghiệm, hệ thống được dùng để nhận dạng nhiều cử chỉ và tái tạo quỹ đạo chuyển động của ngón tay.

Khả năng này mở ra một hướng tương tác thú vị cho robot dịch vụ và robot hình người. Con người có thể ra hiệu khi bàn tay còn cách bề mặt robot một khoảng nhỏ, còn khi chạm vào robot, cùng hệ cảm biến chuyển sang đọc lực và vị trí tiếp xúc.

Thay vì phải đặt riêng một cảm biến tiệm cận và một mảng xúc giác tại cùng vị trí, lớp da đa chế độ có thể giảm sự phức tạp của hệ thống cảm nhận.

Điểm quan trọng không phải robot có “giác quan thứ sáu”

Cách nói robot “cảm nhận vật thể trước khi chạm” dễ gợi cảm giác như máy móc có một giác quan bí ẩn. Trên thực tế, nguyên lý hoàn toàn dựa trên vật lý điện trường.

Vật thể đi vào vùng điện trường của cảm biến sẽ làm thay đổi điện dung đo được. Máy tính phân tích những biến đổi này để suy ra trạng thái môi trường. Cơ chế tương tự về ý tưởng đã xuất hiện trong các hệ cảm biến tiệm cận điện dung khác; điểm mới của nghiên cứu là cách tổ chức mảng cảm biến để đồng thời đạt phạm vi phát hiện lớn, khả năng điều chỉnh độ phân giải và đo xúc giác trong một cấu trúc mềm.

Cũng cần lưu ý rằng khả năng phát hiện phụ thuộc vào đặc tính của vật thể, cấu hình điện cực và môi trường điện từ. Đây chưa phải một loại “da” có thể nhận biết mọi vật thể trong mọi điều kiện với khoảng cách giống nhau.

Vì sao đây là bước tiến đáng chú ý đối với robot hình người?

Robot hình người thường được thiết kế để hoạt động trong không gian vốn dành cho con người: nhà ở, bệnh viện, văn phòng, cửa hàng hay dây chuyền sản xuất. Trong những môi trường như vậy, camera cung cấp cái nhìn toàn cảnh nhưng không phải lúc nào cũng đủ cho tương tác ở khoảng cách rất gần.

Một cánh tay có thể che khuất camera. Ánh sáng có thể thay đổi. Một vật thể nhỏ có thể nằm ngoài trường nhìn. Khi robot đưa tay về phía con người, khoảng cách vài centimet cuối cùng lại là vùng đặc biệt quan trọng đối với an toàn.

Da điện tử phủ trực tiếp lên thân hoặc tay robot có thể bổ sung một lớp nhận thức mang tính cục bộ. Thay vì chỉ dựa vào “mắt”, robot có thể có một vùng cảm nhận bao quanh cơ thể – gần giống khái niệm không gian quanh cơ thể mà con người luôn vô thức theo dõi khi di chuyển.

Khi kết hợp với thị giác máy tính, cảm biến lực, lidar và thuật toán điều khiển, loại e-skin này có thể giúp robot phản ứng sớm hơn trước va chạm và điều chỉnh lực tốt hơn sau khi tiếp xúc.

Ứng dụng tiềm năng: từ robot dịch vụ tới sản xuất cộng tác

Nếu tiếp tục được phát triển, cảm biến proximity-tactile có thể hữu ích trong nhiều loại máy móc.

• Robot hình người: nhận biết khi con người tiến sát tới cơ thể, sau đó cảm nhận lực khi có chạm, nắm tay hoặc đẩy.
• Robot cộng tác trong nhà máy: phát hiện công nhân trước khi va chạm và đo lực nếu tiếp xúc xảy ra.
• Tay kẹp robot: nhận biết vật thể ngay trước khi chạm, điều chỉnh vị trí rồi kiểm soát lực khi kẹp.
• Robot dịch vụ và robot hút bụi: phát hiện dây điện, chân người hoặc đồ vật ở cự ly gần mà không cần đợi va vào cản cơ học.
• Giao diện không chạm: nhận dạng cử chỉ trong không khí, sau đó chuyển liền mạch sang điều khiển bằng chạm.

Từ nguyên mẫu đến “da” toàn thân cho robot vẫn còn nhiều thách thức

Kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng rõ ràng, nhưng PNR-PTSA hiện vẫn là một nền tảng nghiên cứu chứ chưa phải lớp da điện tử có thể lập tức phủ lên robot thương mại.

Để dùng trên toàn bộ cơ thể robot, các mảng cảm biến phải được sản xuất với diện tích lớn, uốn theo nhiều bề mặt khác nhau và kết nối với lượng lớn kênh dữ liệu. Hệ thống cũng phải hoạt động ổn định khi robot liên tục co duỗi, va quệt, thay đổi nhiệt độ và làm việc gần nhiều nguồn nhiễu điện.

Một vấn đề khác là xử lý dữ liệu. Khi hàng trăm hoặc hàng nghìn vùng da cùng theo dõi cả vật thể ở gần và lực tiếp xúc, robot cần phân biệt tín hiệu có ích với nhiễu, xác định đâu là nguy cơ và phản ứng đủ nhanh mà không tạo ra quá nhiều cảnh báo giả.

Do đó, cảm biến mới không tự mình biến robot thành cỗ máy có xúc giác giống con người. Nó cung cấp một lớp dữ liệu quan trọng mà hệ điều khiển và AI có thể sử dụng để hiểu tương tác vật lý tốt hơn.

Tương lai của robot có thể là sự kết hợp giữa “nhìn” và “cảm”

Trong nhiều năm, tiến bộ của robot tập trung mạnh vào thị giác máy tính: camera tốt hơn, mô hình AI mạnh hơn và thuật toán nhận dạng vật thể chính xác hơn. Nhưng để robot thực sự bước vào những không gian đông người, khả năng cảm nhận ở cự ly gần cũng quan trọng không kém.

PNR-PTSA cho thấy một hướng phát triển đáng chú ý: một lớp da mềm không chỉ báo cho robot biết “tôi vừa bị chạm”, mà còn có thể đưa ra tín hiệu “có thứ gì đó đang tiến đến” trước khi tiếp xúc xảy ra.

Nếu các hệ cảm biến kiểu này có thể được sản xuất bền, rẻ và bao phủ diện tích lớn, robot tương lai có thể sở hữu một vùng nhận thức bao quanh toàn thân. Khi đó, camera đảm nhiệm quan sát từ xa, còn da điện tử phụ trách những centimet cuối cùng – nơi một cái bắt tay, một cú va chạm hay thao tác cầm một vật dễ vỡ thực sự diễn ra.

Nguồn tham khảo: Xiaohua Wu, Yingxi Xie và cộng sự, “A bio-inspired proximity-tactile sensor array with beyond-extreme detection depth for embodied intelligence”, International Journal of Extreme Manufacturing, tập 8, bài 035506, công bố ngày 13/2/2026, DOI: 10.1088/2631-7990/ae3ee6; thông cáo nghiên cứu đăng trên EurekAlert ngày 5/3/2026.