如今，外科醫(yī)生在給病人做手術(shù)時(shí)，病人對(duì)手術(shù)儀器可以沒(méi)有感覺(jué)。類似的，也有來(lái)自世界各地在核設(shè)施周圍工作的人員，利用遠(yuǎn)程控制器來(lái)控制機(jī)器手臂操作放射性物質(zhì)，從而不用直接接觸它。幾乎對(duì)于每一個(gè)從事有機(jī)器人幫助的體力工作人員來(lái)說(shuō)，麻痹似乎已經(jīng)成為一個(gè)折磨著他們的大規(guī)模性傳染病。這些工作人員有來(lái)自阿富汗的未爆彈處理專家，也有剛登上國(guó)際空間站的宇航員。

 

　　與其說(shuō)這是個(gè)生理問(wèn)題，不如說(shuō)它是個(gè)機(jī)械問(wèn)題。隨著機(jī)器人廣泛應(yīng)用，尤其是在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下應(yīng)用的日益普及，遠(yuǎn)程遙控的優(yōu)勢(shì)正日益凸顯。然而，大多數(shù)機(jī)器人卻不能感覺(jué)到他們所接觸的東西。這促使機(jī)器人使用者開(kāi)始改變機(jī)器人的本能，并用不變的視覺(jué)信號(hào)來(lái)替代一些簡(jiǎn)單的觸覺(jué)信號(hào)（例如兩個(gè)指尖的輪廓線）。于是，便產(chǎn)生了研究者們所謂的“增加的認(rèn)知負(fù)荷”。正是因?yàn)檫@樣，使用者一定會(huì)積極地認(rèn)為，他們布置給機(jī)器人的無(wú)數(shù)個(gè)小任務(wù)都是很簡(jiǎn)單的。當(dāng)我們?cè)谔幚砟切r(shí)間緊迫的問(wèn)題時(shí)，例如當(dāng)病人正在大量失血，或者路邊的一個(gè)炸彈亟待拆卸，我們所承擔(dān)的附加責(zé)任就會(huì)變得幾乎不能承受。而如今，研究者都希望通過(guò)制造有觸覺(jué)的機(jī)器人來(lái)減輕這些認(rèn)知負(fù)擔(dān)，并盡可能讓所有的機(jī)器人都變得更加高效。人們稱這種技術(shù)為觸覺(jué)技術(shù)，它代表了機(jī)器人領(lǐng)域中最具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)。然而，隨著新的感應(yīng)器和反饋系統(tǒng)走出實(shí)驗(yàn)室，投入應(yīng)用，觸覺(jué)技術(shù)竟碰巧成為這個(gè)領(lǐng)域中最有前景的技術(shù)。
 

 

　　傳感反饋：有效震蕩和加重干擾的分界線

 

　　觸覺(jué)技術(shù)是關(guān)于機(jī)器通過(guò)接觸進(jìn)行通訊的技術(shù)。作為傳感反饋技術(shù)的核心，觸覺(jué)技術(shù)既能指代一個(gè)能夠操縱機(jī)器人遇到障礙物時(shí)停下的操縱桿，也能指代一個(gè)顯示有虛擬鍵盤的觸摸屏。震蕩是傳感反饋?zhàn)畛Ｒ?jiàn)的一種形式，而讓已經(jīng)靜音的手機(jī)在來(lái)電時(shí)震動(dòng)則是它最常見(jiàn)的應(yīng)用。

 

　　把這個(gè)概念應(yīng)用到機(jī)器人身上似乎有些直接。當(dāng)一個(gè)外科手術(shù)機(jī)器人，如Intuitive Surgical公司的達(dá)芬奇系統(tǒng)，在其操縱器接觸到一個(gè)病人的器官時(shí)，為什么不能用嗡嗡聲來(lái)給操縱器發(fā)射信號(hào)呢？“你并不希望外科醫(yī)生的手震動(dòng)起來(lái)。”劍橋研究發(fā)展中心馬塞諸瑟州的首席執(zhí)行官Ken Steinberg說(shuō)道。劍橋研究發(fā)展中心前段時(shí)間剛剛測(cè)試完外科機(jī)器人里的傳感設(shè)備。因?yàn)樗麄兊氖忠呀?jīng)裝上了控制器，所以能夠控制病人體內(nèi)的操縱器。外科手術(shù)醫(yī)生告訴Steinberg說(shuō)，連續(xù)不停的震動(dòng)至少會(huì)讓你分心，如果震動(dòng)過(guò)大，還會(huì)讓你的手指麻木。“人類的身體絕對(duì)不能接受震動(dòng)，”Steinberg說(shuō)道，“神經(jīng)會(huì)隨著過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱的震動(dòng)而失去作用。隨著時(shí)間的增加，它就會(huì)讓你感到憤怒。”

 

　　劍橋大學(xué)研究發(fā)展中心的解決辦法是減小嗡嗡聲。他們認(rèn)為嗡嗡聲越小，人們就越不會(huì)感到心煩意亂。他們最近退出了新產(chǎn)品Neo，這是一款帶有頭巾的直線驅(qū)動(dòng)器。不同于大多數(shù)做圓周運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，它能夠上下移動(dòng)。當(dāng)達(dá)芬奇系統(tǒng)的儀器或者操縱器同任何事物聯(lián)系時(shí)，Neo的小觸感器（一個(gè)能夠傳輸使用者皮膚上壓力和震動(dòng)的微型傳感器）會(huì)推擠外科醫(yī)生的頭。使用直線驅(qū)動(dòng)器能夠讓觸覺(jué)反饋每分鐘都進(jìn)行調(diào)整——有反映控制器擦碰到器官的羽毛狀的癢感，以及反映縫合處受到擠壓的明顯的拍打感。

 

　　為了測(cè)試反饋信息的有效性，一個(gè)外科醫(yī)生使用Neo進(jìn)行了一場(chǎng)模擬手術(shù)。這場(chǎng)手術(shù)需要他抓住病人的血管，而這卻是外科醫(yī)生在使用傷害性最小的機(jī)器人做手術(shù)時(shí)盡量避免的，因?yàn)檫@樣做手術(shù)很有可能會(huì)刺破病人的血管或者給病人機(jī)體造成損傷。“我們決定展示在做手術(shù)時(shí)，我們握模擬血管的力度可以有多輕，從而借此來(lái)說(shuō)明機(jī)器人在做手術(shù)時(shí)出現(xiàn)偏差和壓破血管的可能性是有多小，”Steinberg說(shuō)。“我們蒙住外科醫(yī)生的眼睛，并讓他使用機(jī)器人來(lái)握住模擬血管（一根稻草充當(dāng)?shù)模?，并讓他在感受到稻草后就不要?jiǎng)恿恕?rdquo;當(dāng)醫(yī)生感覺(jué)到稻草后，機(jī)器人就會(huì)立刻停下，這樣Steinberg就能確定器官不會(huì)受到任何損傷。我們能夠觀察到達(dá)芬奇標(biāo)準(zhǔn)反饋，是因?yàn)橛?D高分辨率顯示器，而這只是對(duì)傳輸性感觸技術(shù)所需投入的管中一窺。試想一下，如果把這性技術(shù)真正投入應(yīng)用，又需要我們投入多少資金和技術(shù)呢？“如果把這項(xiàng)技術(shù)投入使用，安裝費(fèi)只需幾百元而非幾十萬(wàn)。我們認(rèn)為，在接下來(lái)的幾十年里，我們能夠找到辦法來(lái)解決它。”Steinberg說(shuō)。

 

　　雖然劍橋大學(xué)研發(fā)中心想批準(zhǔn)像Intuitive Surgical這樣的公司使用這項(xiàng)技術(shù)，但是一項(xiàng)更傳統(tǒng)的觸覺(jué)反饋技術(shù)已經(jīng)讓這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入了手術(shù)室。RIO機(jī)器人是專用于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)手術(shù)的機(jī)器人。一個(gè)整形醫(yī)生在做手術(shù)時(shí)想引導(dǎo)這個(gè)機(jī)器人，但是RIO在手術(shù)開(kāi)始前就已經(jīng)知道怎么做了——根據(jù)病人之前所拍的CT，它已經(jīng)對(duì)整個(gè)手術(shù)過(guò)程有了清晰的了解。因此，如果人類外科醫(yī)生在做手術(shù)時(shí)出了錯(cuò)，或者用力過(guò)大，RIO就會(huì)應(yīng)用“觸覺(jué)反饋”。這項(xiàng)技術(shù)的名字是Mako Surgical公司福羅里達(dá)州分公司取的，它的另外一個(gè)名字叫“力量反饋”，它能夠阻止使用者繼續(xù)使力。

 

　　如果機(jī)器人設(shè)計(jì)成能夠自動(dòng)對(duì)觸覺(jué)反饋?zhàn)龀龇磻?yīng)，那么觸覺(jué)技術(shù)就會(huì)變得更有效率。

 

　　但是，力量反饋并不能解決所有問(wèn)題。當(dāng)RIO外科機(jī)器人能夠在一個(gè)清晰劃分的區(qū)域內(nèi)把信息反饋給使用者時(shí)，類似于RIO的機(jī)器人卻已經(jīng)在2010年墨西哥灣漏油和2011年福島核電站核泄漏這樣的事件中做出反饋，并在這些不可預(yù)測(cè)的情況產(chǎn)生的混亂中引導(dǎo)人們。研究者們必須改變研究方向，給以上這些工作環(huán)境中的操作者提供更多便利。他們的任務(wù)包括通過(guò)監(jiān)測(cè)器在漆黑的石油內(nèi)觀測(cè)來(lái)擰動(dòng)扳手或門把手，或者因輻射程度提高而產(chǎn)生的電離效應(yīng)時(shí)發(fā)光閃動(dòng)。

 

　　除了研究如何將觸覺(jué)以一種更有意義，更少干擾的方式來(lái)傳遞給使用者這個(gè)問(wèn)題外，像SynTouch洛杉磯分公司這樣的公司則是將目光專注于機(jī)器本身。如果一個(gè)機(jī)器人知道它觸碰的是什么，為什么不根據(jù)它所觸碰的東西來(lái)來(lái)做出相應(yīng)的反應(yīng)呢？SynTouch公司生產(chǎn)的BioTac感應(yīng)器能夠模仿人指尖的動(dòng)作，探測(cè)力量，震動(dòng)和溫度。通過(guò)把這三項(xiàng)輸入信號(hào)結(jié)合，裝備有BioTac的機(jī)器手就可能把玻璃從金屬中分辨出來(lái)（根據(jù)溫度來(lái)調(diào)控）。但是由于使用者是人，所以機(jī)器人就能夠很很便利地得到，并且充分利用信息。

 

　　根據(jù)SynTouch公司的創(chuàng)始人和老板之一的Matt Borzage，這只是一個(gè)速度問(wèn)題。“有人在時(shí)，機(jī)器手在握住東西時(shí)需要每秒做出成千上萬(wàn)種調(diào)整。如果它開(kāi)始打滑，機(jī)器手就會(huì)對(duì)大腦發(fā)出信息，并接收大腦的指令。然而，這一過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間太長(zhǎng)，因此脊髓是同手臂連接的。”Borzage說(shuō)。機(jī)器手若想達(dá)到像人類一樣的精準(zhǔn)度，并且一直避免亂動(dòng)，就得獨(dú)自行動(dòng)。如果機(jī)器人一直等待收取操作者的觸摸信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)加工，再發(fā)出指令，這樣的機(jī)器人就是一個(gè)遲鈍笨拙的失敗品。“這也是我們需要在機(jī)器手能夠進(jìn)行一些低級(jí)的條件反射（如模仿脊髓水平的條件反射）的原因。”Borzage說(shuō)。

 

　　影之手是世界上最靈巧的機(jī)器手，其制造者采用了這種基于反射層面的方法。“遠(yuǎn)程操控沒(méi)有比采用復(fù)雜感測(cè)系統(tǒng)更好的辦法了，因?yàn)槟悴荒馨研畔⒂謧骰亟o操作者。”Shadow Robot公司的總經(jīng)理Rich Walker說(shuō)道。“你希望數(shù)據(jù)能夠直接由機(jī)器人詮釋出來(lái)，而不是原封不動(dòng)的發(fā)回給人。”Shadow Robot公司倫敦分公司同SynTouch公司緊密合作，制造出了一款影之手BioTac工具箱，它能幫助研究型顧客將這系統(tǒng)同指尖傳感器整合起來(lái)。但若想把加強(qiáng)型觸覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，如原子能設(shè)施物料管理員使用的機(jī)器人，那么一個(gè)聰明，敏捷的操縱器則是比一個(gè)擁有觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的機(jī)器人更具有可行性。

 

　　觸覺(jué)技術(shù)可能最終會(huì)帶給機(jī)器人一種很強(qiáng)烈的“自我感”

 

　　相對(duì)于現(xiàn)代的機(jī)器人，傳統(tǒng)的觸覺(jué)機(jī)器人已經(jīng)被淘汰了，但這樣說(shuō)是不公平的。如果一定要在二者之間找出什么區(qū)別的話，現(xiàn)代的機(jī)器人更高級(jí)了。因?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)器人不光有觸覺(jué)，而且能把感覺(jué)跟人類分享。Kinova Systems蒙特利爾分公司現(xiàn)在研發(fā)操縱桿控制JACO鉗式手臂的升級(jí)版觸覺(jué)型機(jī)器人。這款機(jī)器手能放在輪椅上，供上半身行動(dòng)不便的殘疾人抓取并操縱物體，并且能讓接觸者感到很舒服。機(jī)器手完成這一切都是通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的，欠驅(qū)動(dòng)“手指”來(lái)完成的。研究的第二個(gè)階段就是把反饋信息反饋給操縱者，可能是通過(guò)一個(gè)機(jī)器手或者頭巾來(lái)完成。要完成這個(gè)過(guò)程，首先要讓機(jī)器手能夠感覺(jué)并識(shí)別他們觸碰的物體，并對(duì)其作出相應(yīng)的反應(yīng)。比如碰到一杯水，它就會(huì)水平地握著。只需足夠的力道，就能夠保持這種姿勢(shì)，以免捏破玻璃杯。

 

　　換句話說(shuō)，觸覺(jué)技術(shù)也許最終能夠幫助機(jī)器人進(jìn)步。如果像劍橋研發(fā)中心，Syntouch和Shadow Robot這樣的公司能成功吸引機(jī)器人領(lǐng)域的主要玩家——那些將自己公司生產(chǎn)的系統(tǒng)應(yīng)用在醫(yī)院里，油井下，以及世界各大戰(zhàn)場(chǎng)和災(zāi)區(qū)的公司——那么這些機(jī)器就更不需要監(jiān)視了。因?yàn)闄C(jī)器人會(huì)在扳手掉入石油里之前就把它給擰好，或者在炸彈的一團(tuán)線中剪斷其中的一根。我們就稱它為開(kāi)心的事故吧：在制造能夠傳輸觸感并且容易控制的機(jī)器的過(guò)程中，機(jī)器人專家首先要制造出能夠更好的進(jìn)行自我控制的機(jī)器。

 

　　原文：The Sensitive Robot