想象一下，未來你家里的智能機(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個盤子，就會打碎1個。當(dāng)然，這是完全無法接受的，這意味著你家的地板上出現(xiàn)了碎瓷片，而你的機(jī)器人只會陷入悲傷、錯誤的反饋指令中，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出現(xiàn)，近日香港大學(xué)的電腦科學(xué)家與美國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。這是一種以非人類、果斷的方式感受手指自身磁場細(xì)微變化的技術(shù)，未來可應(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)感覺細(xì)胞，人類可以通過指尖感受壓力與物體的紋理。這些感覺細(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，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：“在觸覺反饋方面，對于家用機(jī)器人來說與人類的互動是比較安全的，運(yùn)用這項技術(shù)，機(jī)器人能夠完成更多過去無法做到的高難度任務(wù)，比如靈活的抓取與操作�！�

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

在這項研究中，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。而手指的支撐骨骼是一塊電路板，其中布滿了多個觸覺傳感器，觸覺傳感器的核心由一層經(jīng)單面多級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，霍爾傳感器將測量到由磁膜變形所引起的磁場變化，進(jìn)而可以測量出所施加外力的大小和方向。

如果你用一個鉛筆橡皮戳手指尖，磁場皮膚被壓制，手指磁場就會發(fā)生微妙的變化，隨后傳感器就會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，重力會讓水杯試圖脫離你的手，很顯然當(dāng)你感受到時，你會握緊把手�？墒菍τ跈C(jī)器人來說，讓它們做出同樣的選擇并不是件容易的事情。

觸覺傳感器是一種用于機(jī)器人中模仿觸覺功能的傳感器，可以賦予機(jī)器人通過接觸來感知外部環(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)，近年來科學(xué)家已經(jīng)提出過多種多樣的觸覺傳感器的研發(fā)方案，但目前大都處于實驗室研究階段，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，其一個重要特點(diǎn)就是可以在削弱一側(cè)磁場的同時可以極大地加強(qiáng)另一側(cè)磁場。實際上，這項技術(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�箱貼也會用到�！�

此次研究中，研究團(tuán)隊利用觸覺超分辨率實時追蹤滾動小球，展示了觸覺超分辨在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景。在實驗場景中，研究人員利用超分辨率實時追蹤了在磁性皮膚上滾動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，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定量計算，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：“我們針對磁膜的特性設(shè)計了深度學(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，我們可以在實現(xiàn)功能的同時，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。這對未來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感知能力至關(guān)重要。”

美國哥倫比亞大學(xué)機(jī)器人專家MateiCiocarlie表示：“這項研究為觸覺科技的發(fā)展帶來了一股新浪潮，由此制造的傳感器將傳遞更加豐富的原始數(shù)據(jù)�！庇腥さ氖�，Ciocarlie的研究團(tuán)隊不久前曾發(fā)明了一種相似的利用光能驅(qū)動的機(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)測當(dāng)皮膚變形時，組織內(nèi)部的光發(fā)生了怎樣的變化。不過，從倫理道德的角度來講，將痛感信息傳遞給佩戴假肢者是一件比較復(fù)雜的事，因為醫(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，過度壓力的警告指示完全可以通過另一種方式表現(xiàn)，比如聲音，而不一定要通過痛覺告訴人們他們正在損壞假肢。

無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)一個機(jī)器人在一個特殊的環(huán)境下，不需要溫度感應(yīng)時，就可以自動關(guān)閉這項功能。

關(guān)于未來，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，并針對不同的場景設(shè)計出特定的超分辨率算法，實現(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)用場景�；蛟S在不遠(yuǎn)的將來，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�?

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