中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
可以想象，在不久的將來(lái)，諸如洗碗、拖地、擦玻璃之類(lèi)的家務(wù)都會(huì )由家用機器人來(lái)承擔，人類(lèi)的雙手就能夠從繁瑣小事中進(jìn)一步解放出來(lái)。
但是一個(gè)重要的前提是，這些機器人必須足夠完美——如果他們存在錯誤率，哪怕只有千分之一，就可能意味著(zhù)，它在洗碗時(shí)，每 1000 個(gè)餐具中就會(huì )有 1 個(gè)掉在地上，而這是我們無(wú)法接受的。
因為之后恐怕會(huì )陷入一個(gè)惡性循環(huán)——地板不斷被餐具碎片覆蓋，機器人繼續清理，清理過(guò)程中會(huì )摔掉更多的盤(pán)子，循環(huán)往復，無(wú)休無(wú)止。
為了避免這種噩夢(mèng)的發(fā)生，工程師們需要賦予機器人足夠敏銳的觸覺(jué)，最好是能夠達到接近人類(lèi)的感知水平。
人類(lèi)的皮膚可以感知法向力和剪切力的細微變化(即自解耦)，并能夠以更高的分辨率感知刺激（即超分辨）。換句話(huà)說(shuō)，人類(lèi)的指尖可以感受到壓力和紋理，這主要歸功于皮膚上一種叫做機械感受器的特殊感覺(jué)細胞。
這些細胞連同整個(gè)神經(jīng)系統，將來(lái)自環(huán)境的機械信息轉換成大腦可以理解的“觸覺(jué)”感知的信號。結合溫度感受器和痛覺(jué)感受器，人類(lèi)就可以在不傷害自己的情況下完成對周?chē)h(huán)境的操控。
然而現有的機器人卻不具備精確的力解耦、以及適當的空間分辨率，那么，如何才能讓機器人實(shí)現精準抓握，避免餐具破損或者給人類(lèi)帶來(lái)?yè)p傷呢？
近日，香港城市大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、南方科技大學(xué)組建的科研團隊共同研發(fā)了一種機器人指尖“皮膚”——一種柔軟的正弦柔性磁化薄膜，厚度為 0.5 mm，這種薄膜會(huì )在設備內部產(chǎn)生磁場(chǎng)。
支撐手指的“骨頭”是一塊電路板，上面布滿(mǎn)了傳感器，可以監測磁場(chǎng)。例如，將一塊橡皮放在指尖上，手指的磁場(chǎng)就會(huì )因為皮膚凹陷發(fā)生微妙的變化，然后傳感器就會(huì )據此分析橡皮接觸的位置。如果用這些指尖拍一下仿人機器人上，機器就能夠很快明確手指和物體接觸的位置，進(jìn)而提高抓地力。
圖 | 磁性皮膚的結構（來(lái)源：Science Robotics）
他們將傳感器安裝在機器人手爪的指尖上，經(jīng)過(guò)反復試驗發(fā)現，這種具有自解耦和超分辨能力的軟觸覺(jué)傳感器可精確測量法向力和剪切力（一維演示），并通過(guò)深度學(xué)習將超分辨精度提高了 60 倍——機器人可在外界干擾下穩定地抓取易碎物體，并能夠通過(guò)遙控操作完成穿針等任務(wù)。
該研究成果發(fā)表在《科學(xué)·機器人》（Science Robotics）雜志上，標題為《實(shí)現自解耦與超分辨率觸覺(jué)感知的柔性磁性皮膚》（Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling）。
“有了觸覺(jué)反饋，家用機器人與人的互動(dòng)會(huì )安全得多，而且機器人可以完成以前無(wú)法完成的更具挑戰性的任務(wù)，比如靈巧的抓取和操作?！毕愀鄢鞘写髮W(xué)生物醫學(xué)工程系的計算機科學(xué)家，上述論文的第一作者閆友璨表示。
在上面的視頻中，我們可以看到這種磁性皮膚的敏感程度：當物體劃過(guò)“指尖”時(shí)，該系統不僅能感知到物體觸碰到的地方，還能感知到物體的形狀。
哥倫比亞大學(xué)機器人學(xué)家 Matei Ciocarlie 評論道：“這項工作是觸覺(jué)傳感領(lǐng)域中令人興奮的新浪潮的一部分，即人們正在制造的傳感器，能夠提供極其豐富的原始數據，而這些數據卻不一定是為了供人類(lèi)使用的?！?/p>
有趣的是，Ciocarlie 在哥倫比亞大學(xué)的團隊也開(kāi)發(fā)出了一種類(lèi)似的機械手指，但這種手指利用的不是磁力而是光——機械手指的“骨頭”上布滿(mǎn)了發(fā)光二極管（LED）和光電二極管，可在皮膚變形時(shí)檢測結構內部的光如何發(fā)生變化。
事實(shí)上，這兩種方法的初衷都是為了攻克機器人靈巧度欠缺的問(wèn)題。如果要讓這些機器在人類(lèi)世界里發(fā)揮真正的作用，例如零失誤地做完家務(wù)，他們就必須變得更加敏感，而在提升機器人觸覺(jué)感知方面，顯然我們還將有很長(cháng)的路要走。
據悉，在不久的將來(lái)，研究人員可能將這種指尖整合到假肢中，讓截肢者通過(guò)假肢獲得更豐富的觸摸體驗。
不管怎樣，新型磁性皮膚等類(lèi)似的研究成果表明，科學(xué)家們在為機器人開(kāi)發(fā)感官功能時(shí)，并不需要完全復制人類(lèi)的生物學(xué)特征。因為，當我們試圖將人類(lèi)的身體功能復制到機器人身上時(shí)，反而會(huì )形成某種局限性，或許我們可以讓機器人擁有超出人類(lèi)想象的敏感性。
本文介紹的這項研究恰恰為觸覺(jué)傳感器的研發(fā)與設計提供了全新的思路，并有助于機器人領(lǐng)域的人機交互、自適應抓取和靈巧操作等各種應用的開(kāi)發(fā)。
