磁性材料實(shí)現(xiàn)超敏感機(jī)器人指尖

想象一下，未來(lái)你家里的智能機(jī)器人，它需要收拾地板上的雜物、清掃并且收拾碗碟。在這種情況下，如果機(jī)器人存在1%的失誤率，就意味著洗100個(gè)盤子，就會(huì)打碎1個(gè)。當(dāng)然，這是完全無(wú)法接受的，這意味著你家的地板上出現(xiàn)了碎瓷片，而你的機(jī)器人只會(huì)陷入悲傷、錯(cuò)誤的反饋指令中，在打碎盤子、清掃并打碎更多盤子的指令中循環(huán)往復(fù)下去。

為了避免這樣的噩夢(mèng)出現(xiàn)，近日香港大學(xué)的電腦科學(xué)家與美國(guó)的工程師們合作研發(fā)出一種技術(shù)，賦予機(jī)器人一種超靈敏的觸覺(jué)。這是一種以非人類、果斷的方式感受手指自身磁場(chǎng)細(xì)微變化的技術(shù)，未來(lái)可應(yīng)用于制造超敏感假肢。

由于手指中存在一種被稱為機(jī)械感受體的專業(yè)感覺(jué)細(xì)胞，人類可以通過(guò)指尖感受壓力與物體的紋理。這些感覺(jué)細(xì)胞從整體上還伴隨著神經(jīng)系統(tǒng)，它們將周圍環(huán)境中的力學(xué)信息轉(zhuǎn)化為一種信號(hào)，人類的大腦將它理解為“感知”。結(jié)合身體上的溫度感受體和疼痛感受體，人們就能夠在不傷害自身的情況下操控周圍的世界。

我們希望機(jī)器人也能夠做到同樣的事情，除了避免傷害自己和我們。論文*作者、香港大學(xué)的電腦科學(xué)家Yan表示：“在觸覺(jué)反饋方面，對(duì)于家用機(jī)器人來(lái)說(shuō)與人類的互動(dòng)是比較安全的，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，機(jī)器人能夠完成更多過(guò)去無(wú)法做到的高難度任務(wù)，比如靈活的抓取與操作。”

然而，想要簡(jiǎn)單粗暴地完全復(fù)制人類復(fù)雜的觸覺(jué)系統(tǒng)是不可行的，研究團(tuán)隊(duì)只嘗試復(fù)制了其中的一小部分。

在這項(xiàng)研究中，機(jī)器人的指尖皮膚主要由已磁化的薄膜所組成，能夠在機(jī)器設(shè)備中形成磁場(chǎng)。而手指的支撐骨骼是一塊電路板，其中布滿了多個(gè)觸覺(jué)傳感器，觸覺(jué)傳感器的核心由一層經(jīng)單面多級(jí)正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷電路板上的霍爾傳感器組成。磁膜和霍爾傳感器之間可以填充不同厚度和彈性的硅膠，用來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度和量程。當(dāng)有外力施加于磁膜上時(shí)，霍爾傳感器將測(cè)量到由磁膜變形所引起的磁場(chǎng)變化，進(jìn)而可以測(cè)量出所施加外力的大小和方向。

如果你用一個(gè)鉛筆橡皮戳手指尖，磁場(chǎng)皮膚被壓制，手指磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生微妙的變化，隨后傳感器就會(huì)分析決定橡皮在哪里進(jìn)行了接觸。如果你與類人機(jī)器人的指尖相撞，機(jī)器就會(huì)定位它的手指哪里與目標(biāo)物發(fā)生了接觸，并提升握力。想象一下，當(dāng)你輕輕地握住一只杯子向里面倒水，當(dāng)水杯變重，重力會(huì)讓水杯試圖脫離你的手，很顯然當(dāng)你感受到時(shí)，你會(huì)握緊把手�？墒菍�(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，讓它們做出同樣的選擇并不是件容易的事情。

觸覺(jué)傳感器是一種用于機(jī)器人中模仿觸覺(jué)功能的傳感器，可以賦予機(jī)器人通過(guò)接觸來(lái)感知外部環(huán)境并與之交互的能力，在機(jī)器人靈巧操作、人機(jī)共融、模式識(shí)別等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機(jī)材料的出現(xiàn)，近年來(lái)科學(xué)家已經(jīng)提出過(guò)多種多樣的觸覺(jué)傳感器的研發(fā)方案，但目前大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，達(dá)到產(chǎn)品化的并不多。

Yan教授表示，“這種經(jīng)單面多極的正弦磁化后的磁體在學(xué)術(shù)上被稱為Halbach列陣，其一個(gè)重要特點(diǎn)就是可以在削弱一側(cè)磁場(chǎng)的同時(shí)可以極大地加強(qiáng)另一側(cè)磁場(chǎng)。實(shí)際上，這項(xiàng)技術(shù)在粒子加速器、磁懸浮列車、電磁炮等前沿領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用，就連我們?nèi)粘Ｊ褂玫谋�箱貼也會(huì)用到�！�

此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用觸覺(jué)超分辨率實(shí)時(shí)追蹤滾動(dòng)小球，展示了觸覺(jué)超分辨在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，研究人員利用超分辨率實(shí)時(shí)追蹤了在磁性皮膚上滾動(dòng)的小球的接觸位置和接觸力大小，將定位精度提高了兩倍。進(jìn)一步，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定量計(jì)算，該定位精度可以被提高到0.1mm，達(dá)到磁性皮膚物理分辨率（相鄰傳感單元的距離6mm）的60倍。研究人員表示：“我們針對(duì)磁膜的特性設(shè)計(jì)了深度學(xué)習(xí)方法，將其超分辨率提高到了60倍，達(dá)到了與人類皮膚的超分辨率（約40倍）可比的程度。如此以來(lái)，我們可以在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，極大地減少機(jī)器人皮膚中的傳感單元與布線，從而提高智能皮膚的易用性。這對(duì)未來(lái)把人工皮膚覆蓋于機(jī)器人全身，使機(jī)器人擁有和人類一樣的全身觸覺(jué)感知能力至關(guān)重要�！�

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)機(jī)器人專家MateiCiocarlie表示：“這項(xiàng)研究為觸覺(jué)科技的發(fā)展帶來(lái)了一股新浪潮，由此制造的傳感器將傳遞更加豐富的原始數(shù)據(jù)。”有趣的是，Ciocarlie的研究團(tuán)隊(duì)不久前曾發(fā)明了一種相似的利用光能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手指，而不是磁力。這種機(jī)器手指上嵌入了LED燈和二極管，用于監(jiān)測(cè)當(dāng)皮膚變形時(shí)，組織內(nèi)部的光發(fā)生了怎樣的變化。不過(guò)，從倫理道德的角度來(lái)講，將痛感信息傳遞給佩戴假肢者是一件比較復(fù)雜的事，因?yàn)獒t(yī)療專業(yè)人士不應(yīng)該將病痛帶給患者。一位名為AngelGiuffria的醫(yī)生表示，過(guò)度壓力的警告指示完全可以通過(guò)另一種方式表現(xiàn)，比如聲音，而不一定要通過(guò)痛覺(jué)告訴人們他們正在損壞假肢。

無(wú)論是這種新型磁性系統(tǒng)，還是光能機(jī)器手指都顯示出，科學(xué)家們不需要一味地復(fù)制人類的生物特性以獲得感知功能。事實(shí)上，我們*終要嘗試創(chuàng)造出機(jī)器人自身的感知系統(tǒng)，人類的身體會(huì)限制機(jī)器人的發(fā)展，我們需要培養(yǎng)出機(jī)器自身的靈敏度。比如當(dāng)一個(gè)機(jī)器人在一個(gè)特殊的環(huán)境下，不需要溫度感應(yīng)時(shí)，就可以自動(dòng)關(guān)閉這項(xiàng)功能。

關(guān)于未來(lái)，研究人員表示他們將繼續(xù)致力于開發(fā)出更多功能各異的磁性皮膚，并針對(duì)不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)出特定的超分辨率算法，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的深度融合，從而極大地拓展磁性皮膚的應(yīng)用場(chǎng)景。或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，覆蓋有人工皮膚的家庭機(jī)器人將成為我們?nèi)粘Ｉ�活中不可缺少的部分�?