浙江新聞客戶端 記者 何冬健 通訊員 徐畫
精細(xì)的動(dòng)作控制，敏銳的觸覺(jué)體驗(yàn)，豐富的情感交流……假如沒(méi)有觸覺(jué)，人類要失去認(rèn)識(shí)并理解世界的多少樂(lè)趣。現(xiàn)在，“一束光”讓機(jī)器人也能夠擁有觸覺(jué)？具有類人觸覺(jué)感知能力的“光子皮膚”、高性能光致動(dòng)微型機(jī)器人夾爪……之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心觸覺(jué)感知研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)兩年多潛心研究，率先提出基于微納光纖的觸覺(jué)感知與再現(xiàn)研究新思路，技術(shù)成果“激起千層浪”，讓國(guó)內(nèi)外學(xué)者直呼“驚喜”。觸覺(jué)有多重要？機(jī)器人是怎么實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)的？這項(xiàng)技術(shù)能給我們帶來(lái)怎樣的變化？近日，記者對(duì)話該研究團(tuán)隊(duì)成員，與他們暢聊類人觸覺(jué)感知技術(shù)，體味“之江力量”。
之江實(shí)驗(yàn)室 資料圖
傳遞觸覺(jué)的“特殊道路”
我們對(duì)這個(gè)世界最初的感知通常是從觸覺(jué)開始的——第一聲啼哭之前，嬰兒經(jīng)歷過(guò)誘發(fā)哭聲的拍打；成長(zhǎng)中提筆、拍球；生活中握手，敲擊鍵盤，使用手機(jī)……觸覺(jué)充斥著我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/span>
2021年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安，表彰理由正是他們發(fā)現(xiàn)了“溫度和觸覺(jué)的受體”。
當(dāng)然，相較于視覺(jué)和聽覺(jué)等其他感官，觸覺(jué)研究相對(duì)滯后，主要原因在于其感知機(jī)制、復(fù)現(xiàn)和數(shù)字化進(jìn)程困難重重。在人工智能迅速發(fā)展的今天，如何實(shí)現(xiàn)“類人觸覺(jué)感知”，已成為當(dāng)今科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。
觸覺(jué)感知研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中 周志豪 攝
微納光纖是之江實(shí)驗(yàn)室著力探尋的技術(shù)路徑之一。作為一種新型光波導(dǎo)，微納光纖的直徑是頭發(fā)絲的幾十到幾百分之一，具有獨(dú)特的光學(xué)和力學(xué)特性，被譽(yù)為“下一代光纖”。在這樣一個(gè)直徑范圍內(nèi)，它傳輸光的特性會(huì)發(fā)生明顯改變——很大一部分光以一種叫倏逝場(chǎng)的特殊形式在微納光纖表面?zhèn)鬏敗?/span>
“微納光纖外圍的強(qiáng)倏逝場(chǎng)對(duì)于外界微弱壓力或溫度刺激非常敏感。比如一片飄落的羽毛、一段悠揚(yáng)的音樂(lè)，或者是人體無(wú)法分辨的0.01℃的溫度變化，都會(huì)造成封裝在柔性薄膜中微納光纖輸出光譜的顯著改變，這使得微納光纖很適合制作高靈敏的觸覺(jué)傳感器。”之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心研究專家張磊說(shuō)。
在實(shí)驗(yàn)室里，張磊向記者展示了他們所研究的微納光纖。它由標(biāo)準(zhǔn)光纖通過(guò)加熱拉伸獲得，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)中間細(xì)、兩端粗。
“中間那部分就是微納光纖，我們用它來(lái)感受外界的微弱刺激；而兩邊未拉伸的部分是標(biāo)準(zhǔn)光纖，起到傳輸信號(hào)的作用。”張磊說(shuō)。
目前，在突破微納光纖可控制備和柔性封裝等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)搭建了一套基于微納光纖傳感器的機(jī)器人觸覺(jué)感知系統(tǒng)，研究力、溫度、濕度、硬度和紋理傳感等類人觸覺(jué)感知技術(shù)。
也許在未來(lái)有一天，你在杭州工作，朋友在北京學(xué)習(xí)，雖相隔千里，只要使用這項(xiàng)類人觸覺(jué)感知技術(shù)，大家就可以像打電話一樣，實(shí)時(shí)“握手”和“擁抱”。
模仿多種知覺(jué)的感受器
既然是模仿人類的觸覺(jué)系統(tǒng)，那么這套設(shè)備是如何工作的呢？
對(duì)人類來(lái)說(shuō)，當(dāng)人體皮膚感受到觸摸帶來(lái)的壓迫，馬上會(huì)發(fā)出一個(gè)微小的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)隨神經(jīng)纖維到達(dá)大腦，大腦可以馬上感受到這次觸摸并分辨出觸摸的大小和位置。
模仿人類觸覺(jué)系統(tǒng)的工作原理，手部觸覺(jué)可以增強(qiáng)機(jī)器人物體識(shí)別和靈巧操作的能力，體表觸覺(jué)可以讓機(jī)器人在人機(jī)共存時(shí)具備更好的協(xié)作性和安全性，而足底觸覺(jué)則可以提高機(jī)器人的平衡性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性。
具有類人觸覺(jué)感知功能的機(jī)械手 周立超 攝
“傳感器是機(jī)器人從環(huán)境中獲取信息的媒介，感知是智能機(jī)器人工作閉環(huán)中的第一步。”之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心研究專員余龍騰告訴記者，團(tuán)隊(duì)巧妙地將整個(gè)過(guò)程拆分開來(lái)，分門別類進(jìn)行處理。在傳感器的設(shè)計(jì)上，他們采用微納光纖等敏感材料去感受外界的刺激，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來(lái)處理并給出反饋指令。
在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)靈巧操作和觸覺(jué)反饋等過(guò)程，力感應(yīng)和滑動(dòng)檢測(cè)功能至關(guān)重要，一款柔性觸覺(jué)傳感器應(yīng)運(yùn)而生。
記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，該傳感器擁有類似指紋的溝壑表面，以及不同軟硬的多層結(jié)構(gòu)，和人類手指皮膚的結(jié)構(gòu)特征非常相似。“憑借這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)，當(dāng)傳感器與不同形狀和材料的物體接觸時(shí)，它可提供與抓握和滑動(dòng)相關(guān)的有用信息。”余龍騰說(shuō)。
除了感知力信號(hào)外，皮膚還可以感知熱覺(jué)、冷覺(jué)、痛覺(jué)等多種觸覺(jué)類型，這要?dú)w功于皮膚中4種感知不同類型刺激的感知小體。
溫度感知能力是團(tuán)隊(duì)在觸覺(jué)感知上的另一個(gè)突破。在實(shí)驗(yàn)中，將微納光纖傳感器布置在機(jī)械臂指尖，它可以對(duì)不同冷熱的咖啡進(jìn)行識(shí)別和操作。
機(jī)器人先用手指依次從冷、溫、熱三杯咖啡上方掠過(guò)，微納光纖傳感器以非接觸方式感知咖啡溫度，從而讓機(jī)器人判斷所需咖啡位置。盛放咖啡的杯子柔軟易變形，機(jī)器人借助微納光纖的力傳感控制抓力，保證杯子被穩(wěn)穩(wěn)抓起而不會(huì)溢出咖啡。
之江實(shí)驗(yàn)室類人感知研究中心研究專員肖建亮告訴記者，雖然類人觸覺(jué)傳感器目前還達(dá)不到人體的智能程度，但在部分感知上可以做到超越人類極限，“一?；ǚ勐湓谄つw上面，我們?nèi)梭w是感覺(jué)不到的。但對(duì)于類人觸覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)，其靈敏度和分辨率可以設(shè)計(jì)到足夠高，感受到常人感受不到的東西。”
監(jiān)測(cè)生理信號(hào)的“守護(hù)者”
想象一下，未來(lái)人們只需攜帶一個(gè)幾平方厘米大小的傳感器，醫(yī)生就可以在辦公室里第一時(shí)間看到準(zhǔn)確的生理信號(hào)，根據(jù)人們的健康狀況制定相應(yīng)的措施，那是多么方便的一件事。
機(jī)械手靈巧操作，借助觸覺(jué)反饋穩(wěn)定抓取易變形常見物品 周立超 攝
記者了解到，利用微納光纖制備的觸覺(jué)傳感器和我們印象中的傳感器有明顯的不同，它具有良好的柔韌性，可以穿戴在人們身上。通過(guò)對(duì)微弱壓力、應(yīng)變、溫度和濕度參量的高靈敏度和快響應(yīng)的感知，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)我們的脈搏和血壓等信號(hào)的變化。
“通常情況下，壓力、溫度、濕度等信號(hào)會(huì)存在串?dāng)_，因此難以準(zhǔn)確有效地提取生理信號(hào)。”張磊說(shuō)，針對(duì)人體生理信號(hào)的健康監(jiān)測(cè)，團(tuán)隊(duì)對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)做特殊設(shè)計(jì)，使它可以感受到0.01℃的皮膚溫度變化；同時(shí)為了進(jìn)一步提升微弱生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)能力，研制出靈敏度達(dá)102 kPa-1的高性能應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲音和指尖脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
在我國(guó)人口老齡化程度加深的背景下，這種傳感器可以讓未來(lái)的醫(yī)護(hù)人員更好地在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)老年人或病患的生理信息，更及時(shí)地給需要幫助的人提供醫(yī)療服務(wù)?？梢哉f(shuō)，觸覺(jué)感知研究團(tuán)隊(duì)的工作讓科技的力量能夠成為照進(jìn)我們生活里的“一束光”。
此外，為發(fā)展觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)，使器件在具備“感知”能力的同時(shí)具備“執(zhí)行”能力，團(tuán)隊(duì)以微納光纖為核心，構(gòu)建了用于智能柔性抓取的光波導(dǎo)型軟體致動(dòng)器。
“這是一種由微納光纖和智能材料共同組成的微型智能器件，是人工肌肉、軟體機(jī)器人及微操控等技術(shù)的基礎(chǔ)。”肖建亮介紹，“微納光纖致動(dòng)器可以抓取不同形狀、大小的物體，還可以在大范圍內(nèi)抓取、移動(dòng)、操控物體，彌補(bǔ)了空間光型致動(dòng)器‘精準(zhǔn)操作難’的缺陷。有了軟體致動(dòng)器的配合，觸覺(jué)傳感器的技術(shù)鏈路也會(huì)更加完整。”
有了微納光纖的加持，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們也許可以看到機(jī)器在體內(nèi)復(fù)雜腔道中自由“游動(dòng)”，中風(fēng)患者在康復(fù)治療中擁有了外骨骼，生命科學(xué)研究者可以抓取微米級(jí)細(xì)胞……
之江實(shí)驗(yàn)室的最新研究成果，讓所有“追光者”更加確信：一束光里，潛藏著柔軟卻強(qiáng)大的力量。
【浙江新聞+】
人工智能研究的一項(xiàng)基本內(nèi)容是類人感知。就是要讓機(jī)器具有類似于人的感知能力，如視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)。
類人視覺(jué)的起源可追溯到20世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者L.R.羅伯茲對(duì)多面體積木世界的圖像處理研究，以及70年代美國(guó)麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室“機(jī)器視覺(jué)”課程的開設(shè)。一般認(rèn)為類人視覺(jué)“是通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動(dòng)地接受和處理一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的圖像，通過(guò)分析圖像獲得所需信息或用于控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的裝置”。
類人聽覺(jué)，就是讓機(jī)器人能聽懂人說(shuō)的話，更好地服務(wù)人類。最為大眾熟知的“機(jī)器聽覺(jué)”任務(wù)，就是語(yǔ)音識(shí)別。機(jī)器人能從語(yǔ)音中獲得文字、語(yǔ)種、說(shuō)話人身份、說(shuō)話人情緒等信息。
類人味覺(jué)的研究從人體舌頭感知味覺(jué)的過(guò)程切入，通過(guò)研究味道對(duì)舌頭產(chǎn)生的刺激以及味細(xì)胞表面的生物膜在接收到這種刺激時(shí)產(chǎn)生的電壓變化，進(jìn)行味覺(jué)傳感器研究。目前，類人味覺(jué)幫助不少企業(yè)實(shí)現(xiàn)了食品在味道與營(yíng)養(yǎng)上的平衡。
