科學(xué)家打造出能讓機(jī)器人擁有近乎人類觸感的人工指尖

來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院的觸摸研究員Mandayam Srinivasan表示，研究人員正在“讓自然和人工觸摸領(lǐng)域更加接近......這是改進(jìn)機(jī)器人觸摸的必要步驟”。據(jù)悉，他并沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。

工程師們長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋求使機(jī)器人像人一樣靈巧。一種方法是為它們配備人工神經(jīng)。但“機(jī)器人觸覺(jué)的現(xiàn)狀通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如人類的觸覺(jué)能力，”Srinivasan說(shuō)道。

因此，當(dāng)布里斯托爾大學(xué)的研究人員在2009年開(kāi)始設(shè)計(jì)人工指尖時(shí)，他們以人類皮膚為指導(dǎo)。他們的第一個(gè)指尖是手工組裝的，約有一個(gè)汽水罐那么大。到2018年，他們改用3D打印。這使得他們有可能將指尖及其所有部件做成成人大腳趾的大小并更容易創(chuàng)造出一系列接近人類皮膚多層結(jié)構(gòu)的層。最近，科學(xué)家們?cè)谥讣馍霞尤肓松窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)，他們稱之為TacTip。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幫助機(jī)器人快速處理它所感應(yīng)到的東西并作出相應(yīng)的反應(yīng)--似乎就像一個(gè)真正的手指。

在我們的指尖，當(dāng)皮膚接觸到一個(gè)物體時(shí)一層神經(jīng)末梢會(huì)變形并告訴大腦正在發(fā)生什么。這些神經(jīng)會(huì)發(fā)出“快”的信號(hào)來(lái)幫助我們避免掉落東西，或發(fā)出“慢”的信號(hào)來(lái)傳達(dá)物體的形狀。

TacTip的等效信號(hào)來(lái)自橡膠表層下的一排針狀突起，這些突起在表面被觸碰時(shí)移動(dòng)。該陣列的針狀物就像毛刷的刷毛：堅(jiān)硬但可彎曲。在這個(gè)陣列下面，除其他外還有一個(gè)攝像頭，它可以檢測(cè)到針腳何時(shí)以及如何移動(dòng)。大頭針的彎曲程度負(fù)責(zé)提供慢信號(hào)，彎曲速度負(fù)責(zé)提供快信號(hào)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為指尖的動(dòng)作，如使其抓得更或調(diào)整指尖的角度。

芝加哥大學(xué)研究觸覺(jué)神經(jīng)元基礎(chǔ)的神經(jīng)科學(xué)家Sliman Bensmaia表示：“我們的很多觸覺(jué)都是由（皮膚的）機(jī)械結(jié)構(gòu)形成的。這種方法所做的是真正解決這個(gè)問(wèn)題。”

在這項(xiàng)新工作中，布里斯托爾大學(xué)的工程師Nathan Lepora及其同事對(duì)人工尖端進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方式跟研究人員評(píng)估一個(gè)人的觸覺(jué)一樣。他們測(cè)量了指尖接觸燈芯絨狀材料時(shí)相機(jī)的輸出，這些材料有著不同高度和密度的縫隙和脊線。該團(tuán)隊(duì)在發(fā)表在《Journal of the Royal Society Interface》上的報(bào)告指出，人工指尖不僅能夠檢測(cè)到縫隙和脊背，而且它的輸出跟接受同樣測(cè)試的人類指尖的神經(jīng)元信號(hào)模式密切相關(guān)。

然人工指尖并不像真正的McCoy那樣敏感。Lepora指出，人類可以檢測(cè)到像鉛筆的鉛那樣窄的縫隙，而TacTip需要兩倍的寬度才能注意到它。但他認(rèn)為，等到他和他的同事開(kāi)發(fā)出更薄的外表面就會(huì)得到提高。

在第二個(gè)項(xiàng)目中，Lepora的團(tuán)隊(duì)為TacTip增加了更多的針腳和一個(gè)麥克風(fēng)。麥克風(fēng)模仿了我們皮膚深處的另一組神經(jīng)末梢，當(dāng)我們的手指穿過(guò)一個(gè)表面時(shí)，這些神經(jīng)末梢能感覺(jué)到振動(dòng)。據(jù)悉，這些神經(jīng)末梢增強(qiáng)了我們感受表面粗糙程度的能力。

當(dāng)研究人員測(cè)試增強(qiáng)的指尖對(duì)13種織物的區(qū)分能力時(shí)，麥克風(fēng)也有著同樣的作用。Lepora指出，同樣，來(lái)自麥克風(fēng)和攝像機(jī)的信號(hào)模仿了人類手指在做這項(xiàng)測(cè)試時(shí)記錄的信號(hào)。

這些研究給Ko?大學(xué)從事可穿戴傳感器研究的機(jī)械工程師Levent Beker留下了深刻印象。“一只機(jī)器人手（現(xiàn)在）可以感知與人類手指類似的壓力和紋理信息。”

“這是一種非常有趣的方法，我認(rèn)為沒(méi)有人采取過(guò)這種方法，”Bensmaia補(bǔ)充道，“這非常酷。"然而，來(lái)自人工指尖和自然指尖的信號(hào)并不完全相同，因?yàn)檎鎸?shí)皮膚中的信號(hào)傳遞更加強(qiáng)烈。它只是適度地像皮膚。”

盡管如此，Bensmaia認(rèn)為這種指尖可以幫助機(jī)器人探測(cè)、撿起和操縱物體。他指出，這種可變形的橡膠指尖應(yīng)該給仿生手提供一條腿，或說(shuō)比目前帶有僵硬的金屬手指和腳趾的設(shè)備更有優(yōu)勢(shì)。

今天的機(jī)器人必須經(jīng)過(guò)精確的編程才能安裝一個(gè)特定的汽車部件，且它們和手部保護(hù)裝置一樣，很難抓牢硬物如鋼筆或牙刷。Lepora指出，像TacTip這樣的指尖可以在無(wú)需變成的情況下讓機(jī)器人和假肢處理各種形狀和大小的物體。但Bensmaia指出，目前還不清楚它能在多大程度上實(shí)現(xiàn)小型化。

Lepora對(duì)TacTip的縮小持樂(lè)觀態(tài)度。攝像頭和麥克風(fēng)的尺寸一直在變小，而改進(jìn)的3D打印技術(shù)正在使更薄的層成為可能。他和Bensmaia都認(rèn)為這種更小的設(shè)備可能更接近人類的“感覺(jué)”，因?yàn)樗鼈儗⒛軌驒z測(cè)到更精細(xì)的紋理從而更加靈巧。

康奈爾大學(xué)的材料科學(xué)家Robert Shepherd則表示，從基本層面來(lái)看，這項(xiàng)研究正在幫助展示人類的觸覺(jué)是如何運(yùn)作的。他稱，Lepora和他的同事們基本上已經(jīng)弄清楚了皮膚的神經(jīng)末梢是如何翻譯它們的感覺(jué)，以使手指能夠抓住一個(gè)從我們指間滑過(guò)的球或拿起一個(gè)折紙鶴而不把它壓扁。