我們對這個世界最初的感知通常是從觸覺開始的——第一聲啼哭之前，嬰兒經(jīng)歷過誘發(fā)哭聲的拍打；成長中提筆、拍球；生活中握手，敲擊鍵盤，使用手機……觸覺充斥著我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/span>

2021年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了美國科學(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“溫度和觸覺的受體”。

當(dāng)然，相較于視覺和聽覺等其他感官，觸覺研究相對滯后，主要原因在于其感知機制、復(fù)現(xiàn)和數(shù)字化進程困難重重。在人工智能迅速發(fā)展的今天，如何實現(xiàn)“類人觸覺感知”，已成為當(dāng)今科學(xué)研究的前沿?zé)狳c之一。

微納光纖是之江實驗室著力探尋的技術(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，具有獨特的光學(xué)和力學(xué)特性，被譽為“下一代光纖”。

在這樣一個直徑范圍內(nèi)，它傳輸光的特性會發(fā)生明顯改變——很大一部分光以一種叫倏逝場的特殊形式在微納光纖表面?zhèn)鬏敗?/span>

“微納光纖外圍的強倏逝場對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、一段悠揚的音樂，或者是人體無法分辨的0.01℃的溫度變化，都會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傳感器。”之江實驗室類人感知研究中心研究專家張磊說。

在實驗室里，張磊向記者展示了他們所研究的微納光纖。它由標(biāo)準光纖通過加熱拉伸獲得，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)中間細、兩端粗。

“中間那部分就是微納光纖，我們用它來感受外界的微弱刺激；而兩邊未拉伸的部分是標(biāo)準光纖，起到傳輸信號的作用。”張磊說。

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，團隊搭建了一套基于微納光纖傳感器的機器人觸覺感知系統(tǒng)，研究力、溫度、濕度、硬度和紋理傳感等類人觸覺感知技術(shù)。

也許在未來有一天，你在杭州工作，朋友在北京學(xué)習(xí)，雖相隔千里，只要使用這項類人觸覺感知技術(shù)，大家就可以像打電話一樣，實時“握手”和“擁抱”。

模仿多種知覺的感受器

既然是模仿人類的觸覺系統(tǒng)，那么這套設(shè)備是如何工作的呢？

對人類來說，當(dāng)人體皮膚感受到觸摸帶來的壓迫，馬上會發(fā)出一個微小的信號，這個信號會隨神經(jīng)纖維到達大腦，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。

模仿人類觸覺系統(tǒng)的工作原理，手部觸覺可以增強機器人物體識別和靈巧操作的能力，體表觸覺可以讓機器人在人機共存時具備更好的協(xié)作性和安全性，而足底觸覺則可以提高機器人的平衡性、機動性和適應(yīng)性。

“傳感器是機器人從環(huán)境中獲取信息的媒介，感知是智能機器人工作閉環(huán)中的第一步。”之江實驗室類人感知研究中心研究專員余龍騰告訴記者，團隊巧妙地將整個過程拆分開來，分門別類進行處理。在傳感器的設(shè)計上，他們采用微納光纖等敏感材料去感受外界的刺激，產(chǎn)生的信號經(jīng)過標(biāo)準光纖傳輸?shù)接嬎銠C，由計算機來處理并給出反饋指令。

在機器人的實際應(yīng)用中，為了實現(xiàn)靈巧操作和觸覺反饋等過程，力感應(yīng)和滑動檢測功能至關(guān)重要，一款柔性觸覺傳感器應(yīng)運而生。

記者在現(xiàn)場看到，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)計特點，當(dāng)傳感器與不同形狀和材料的物體接觸時，它可提供與抓握和滑動相關(guān)的有用信息。”余龍騰說。

除了感知力信號外，皮膚還可以感知熱覺、冷覺、痛覺等多種觸覺類型，這要歸功于皮膚中4種感知不同類型刺激的感知小體。

溫度感知能力是團隊在觸覺感知上的另一個突破。在實驗中，將微納光纖傳感器布置在機械臂指尖，它可以對不同冷熱的咖啡進行識別和操作。

機器人先用手指依次從冷、溫、熱三杯咖啡上方掠過，微納光纖傳感器以非接觸方式感知咖啡溫度，從而讓機器人判斷所需咖啡位置。盛放咖啡的杯子柔軟易變形，機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)抓起而不會溢出咖啡。

之江實驗室類人感知研究中心研究專員肖建亮告訴記者，雖然類人觸覺傳感器目前還達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，“一粒花粉落在皮膚上面，我們?nèi)梭w是感覺不到的。但對于類人觸覺傳感器來說，其靈敏度和分辨率可以設(shè)計到足夠高，感受到常人感受不到的東西。”

監(jiān)測生理信號的“守護者”

想象一下，未來人們只需攜帶一個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間看到準確的生理信號，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。

記者了解到，利用微納光纖制備的觸覺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。通過對微弱壓力、應(yīng)變、溫度和濕度參量的高靈敏度和快響應(yīng)的感知，可實時監(jiān)測我們的脈搏和血壓等信號的變化。

“通常情況下，壓力、溫度、濕度等信號會存在串?dāng)_，因此難以準確有效地提取生理信號。”張磊說，針對人體生理信號的健康監(jiān)測，團隊對傳感器結(jié)構(gòu)做特殊設(shè)計，使它可以感受到0.01℃的皮膚溫度變化；同時為了進一步提升微弱生理信號的監(jiān)測能力，研制出靈敏度達102 kPa-1的高性能應(yīng)變傳感器，實現(xiàn)了對聲音和指尖脈搏的實時監(jiān)測。

在我國人口老齡化程度加深的背景下，這種傳感器可以讓未來的醫(yī)護人員更好地在遠程監(jiān)測老年人或病患的生理信息，更及時地給需要幫助的人提供醫(yī)療服務(wù)?？梢哉f，觸覺感知研究團隊的工作讓科技的力量能夠成為照進我們生活里的“一束光”。

此外，為發(fā)展觸覺再現(xiàn)技術(shù)，使器件在具備“感知”能力的同時具備“執(zhí)行”能力，團隊以微納光纖為核心，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、操控物體，彌補了空間光型致動器‘精準操作難’的缺陷。有了軟體致動器的配合，觸覺傳感器的技術(shù)鏈路也會更加完整。”

有了微納光纖的加持，在不遠的未來，我們也許可以看到機器在體內(nèi)復(fù)雜腔道中自由“游動”，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細胞……

之江實驗室的最新研究成果，讓所有“追光者”更加確信：一束光里，潛藏著柔軟卻強大的力量。

人工智能研究的一項基本內(nèi)容是類人感知。就是要讓機器具有類似于人的感知能力，如視覺、觸覺、聽覺、味覺、嗅覺。

類人視覺的起源可追溯到20世紀60年代美國學(xué)者L.R.羅伯茲對多面體積木世界的圖像處理研究，以及70年代美國麻省理工學(xué)院人工智能實驗室“機器視覺”課程的開設(shè)。一般認為類人視覺“是通過光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動地接受和處理一個真實場景的圖像，通過分析圖像獲得所需信息或用于控制機器運動的裝置”。

類人聽覺，就是讓機器人能聽懂人說的話，更好地服務(wù)人類。最為大眾熟知的“機器聽覺”任務(wù)，就是語音識別。機器人能從語音中獲得文字、語種、說話人身份、說話人情緒等信息。

類人味覺的研究從人體舌頭感知味覺的過程切入，通過研究味道對舌頭產(chǎn)生的刺激以及味細胞表面的生物膜在接收到這種刺激時產(chǎn)生的電壓變化，進行味覺傳感器研究。目前，類人味覺幫助不少企業(yè)實現(xiàn)了食品在味道與營養(yǎng)上的平衡。

類人嗅覺，就是讓機器人可以識別氣體，它對感覺氣體的靈敏度和分辨率都很高，連極微量的物質(zhì)成分都能感知到。對于在大量煙霧、火焰、有害氣體環(huán)境中作業(yè)的火災(zāi)救援機器人，以及在與人類共存的空間中工作的機器人，嗅覺傳感器是必不可少的。