贴金，一种古老的技艺，是中华民族民间传统工艺的瑰宝！金箔和贴金工艺的结合让朴实无华的工艺品重获新生。正如《天工开物》所述：“凡色至于金，为人间华美贵重，故人工成箔而后施之”。这项古老技艺如今可用于视触觉传感器的制备，并取得了意想不到的效果。

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JCR Q1期刊IEEE Sensors Journal 发表论文“A Novel Vision-Based Tactile Sensor Using Lamination and Gilding Process for Improvement of Outdoor Detection and Maintainability”，首次提出贴金工艺制备视触觉传感器镀层以降低工艺难度和提高可维护性，并在植物和古生物化石的检测上取得良好的识别效果。
1 视触觉传感器的设计与制备
相比于电子类触觉传感器，视触觉传感器的原理通俗易懂，这为非传感器专业的科研人员的跨学科应用提供了基础。但是，我们发现，复现一个视触觉传感器并不是一件容易的事：1）初学者很难一次性就完全掌握众多工艺的小技巧；2）硬件和设备价格对于缺乏资金的团队仍然是不可接受；3）近年来严峻的国际环境造成硬件成本的上涨；4）目前的工艺高度依赖设备，这对视触觉传感器在野外的维护和使用造成了不便。为了解决以上问题，我们提出了以下设计目标：
1）低成本：工艺成本有时远远超过了硬件成本，所以它更直接地决定了视触觉传感器的造价以及维护的难度。
2）简单的制备流程：建立一个通用且可复现的工艺流程对于视触觉传感器的开发、改进以及推广普及有着重要意义。另外，降低工艺难度也有利于零部件的批量制造。
3）高分辨率：在可控的成本下，利用简单工艺来制造高质量的弹性体和反射层是一个挑战。
4）易维护：低的硬件和工艺成本使得维护的成本降低，也间接增加了传感器的生命周期。
我们使用相机捕捉带有涂层的弹性体的形变来获取触觉信息。传感器由弹性体、LEDs、亚克力、相机和支撑结构组成。在这项工作中，在相机类型和弹性体形式上做出了改进：

图1 应用于野外探测的视触觉传感器结构图
1）相机：微型相机促进了视触觉传感器的微型化和集成化。自动调焦可以在成像范围内调节成像清晰度而不受误差的影响，这可以避免传感器尺寸的二次调整。
2）照明：视触觉传感器需要在弹性体表面提供尽可能均匀的光照来呈现其不同程度的形变。在微型视触觉传感器中，因为缺少垂直照明的空间以及侧照明导致边缘光照的不均匀，所以在亚克力或者弹性体内部实施全内反射。
3）镀层：自古以来，金、银、铜和铝等不活泼金属因为硬度低，延展性高，可以加工成薄而柔软的金属箔片。它们被广泛应用于工艺品表面装饰和修复。金属箔的优势在于极低的成本和优异的物理特性。此外，贴金工艺非常成熟，可以为弹性体的镀层应用提供参考。
4）弹性体：我们发现硅胶胶带具有多种标准尺寸，它的弹性和透明度符合视触觉传感器的成像需求。虽然单片胶带回弹速度略有迟滞，但通过我们提出的层积技术，也可以制备出和自制弹性体性能相近的弹性体。
传感器的框架和底座由Wennext公司3D打印。所以，我们只需要自制弹性体和镀层。下图展示了弹性体的层积工艺和镀层的贴金工艺。

图2 贴金和层积工艺
2 成本验证
我们参照其它传感器的工作（TH-Tactile、Digit和GelSight），通过复现其工艺流程来记录成本。我们与其它文献中的成本计算有显著的区别是我们综合考量了硬件成本、工艺成本、时间成本和维护成本。硬件成本就是成品硬件的成本或者自制硬件的原材料成本。工艺成本包括：加工成本（加工费、靶材成本、辅助材料成本等）、设备成本和工艺复杂度。
我们发现，前两个方案高度依赖设备，且工艺流程复杂，所以硬件的制备和更换只限于室内。较长的制备周期导致硬件制备效率低，影响了维护性。第三个方案虽然降低了设备依赖和时间成本，但是也受到场地限制。相比之下，我们提出的新的工艺方案不使用任何设备。使用常见的生活用品，实现了低成本的硬件制备。最重要的是，这个方案可以提供快捷的硬件修复和更换，降低了维护难度。这也为使用者在室内和室外制造和维护传感器提供了便捷。
3 实验
为了测试铜箔触觉映射的效果，我们选择了不同特征面的物体：球形、圆柱、管状、方块、锋刃和齿形。为了提取出几何特征，我们首先获取触觉图像和初始图像的三通道差图像并将它转换成灰度图像（单通道图像）。第二步，通过设置一个灰度阈值，将背景全部置零。然后，我们采用腐蚀和膨胀处理以消除噪音和修补缺陷。最后，我们通过变形场的形式呈现出几何特征，如图3所示。由形变尺度（颜色由浅到深）可以辨别出几何特征的深度。

图3 铜箔的触觉成像和变形场

图4 视触觉传感器的触觉映射效果对比
回复性是硅胶能作为触觉映射媒介的原因之一。我们准备了三种测试物体：圆锥体、不规则形状和齿形。六个弹性体轮流用三个物体按压测试，结果如图5所示。单层弹性体的回复慢，而且不同变形程度间的回复差异明显。随着层数增加，弹性体的回复加快，但从第三层开始逐步趋于平缓。不同形变程度的回复差异虽然在缩小，但大形变后仍需要一定的时间回复。我们也用硅胶溶液制备了一个弹性体。不管形变程度多大，它都能迅速恢复（每次回复时间低于0.2s）。所以，两种弹性体在回复性上是存在差距的。但在微形变的回复上，二者接近。如果弹性体不处于连续形变，它对快速回复并没有强制的需求，所以硅胶胶带也能满足触觉映射的要求。

图5回复性测试
单层铜箔在数百次挤压之后出现磨痕。当它接触尖锐的、硬的物体或者局部发生大变形，这些情况都可能导致铜箔出现裂痕。用灯光照向铜箔面时，部分光会从裂缝流露。但是，铜箔和贴金工艺在镀层修复上有着独一无二的优势。我们在铜箔表面涂上贴金胶水，再附上一层铜箔，即完成修复。修复后的铜箔虽然还有一点裂缝的印记，但已经将外部光照全部阻挡。金属溅射镀层和喷涂镀层磨损后，很难再生成一层均匀的修复层。另外，单个金属溅射层的修复成本远高于批量弹性体的金属溅射。二次喷涂也增加了镀层的厚度。相比之下，铜箔平整、光滑，即使多层叠加也不影响镀层均匀性。它的薄度使得多层铜箔也能保持灵敏度。

图6 视触觉传感器采集的化石数据集
化石是野外探测时挖掘得到的古地质年代的动物或植物的遗体。我们选取6种代表性的化石，包括海百合茎、石燕贝、蜗牛、芦木、狼鳍鱼和三叶虫。视触觉传感器采集化石表面的生物特征并建立一套触觉数据集。得到的触觉图像如图6所示。通过对照化石图像和触觉图像，我们发现生物特征都能在镀层上清晰地映射，比如海百合茎的螺纹，石燕贝的斜纹，蜗牛的螺旋线，芦木的条状纹路、狼鳍鱼的鱼骨和三叶虫的叶片纹路。肉眼通过触觉图像都可以快速地甄别出化石类型。本工作采用ResNet-18提取和编码触觉信息。得到的特征向量前馈进入一层全连接层并输出6种化石类别的概率。概率最大的类别被认定为预测结果。六种化石的分类准确率为100%。我们认为高准确率是因为化石的生物特征鲜明，以及视触觉传感器高质量的特征映射。通过识别测试，提出的视触觉传感器的成像效果和可学习性是具有野外探测的潜力。
4 结论
我们提出了一种低成本、更简易的视触觉传感器制备方案，包括硅胶胶带的层积工艺与铜箔的贴金工艺。整个流程不使用任何设备，实现了传感器在室内和室外手工制备/修复。完成一个弹性体及镀层制备只需要10min，且成本只有0.055 USD。5分钟即可修复一次镀层，成本只有0.035 USD。结果证实了我们的方案有助于提高视触觉传感器的复现性和维护性。此外，我们传感器也能获得与近年来提出的视触觉传感器相媲美的成像效果。实验验证了铜箔具有映射出细微几何特征的能力。正是依靠成本、便捷性和成像的优势，我们可以探索视触觉传感器在野外探测应用的可能性。基于深度学习模型，6种古生物化石和植物化石的识别准确率超过100%。