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觸覺(jué)是人類與外界交互的重要感官。機(jī)器人是否能像人類一樣通過(guò)皮膚感受世界，這是一個(gè)科學(xué)家們?cè)诓粩嗵剿鞑橹畩^斗的命題。
近日，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在這方面取得重大突破，成功研究出一種仿人指紋的傳感系統(tǒng)，通過(guò)模擬人類指紋的微結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)滑覺(jué)的高分辨檢測(cè)，能夠識(shí)別不同材質(zhì)表面的細(xì)微差別，進(jìn)而分辨如斜紋布、羊毛、燈絨芯等細(xì)膩質(zhì)地。
這項(xiàng)成果為賦予機(jī)器人和人類義肢更精細(xì)的觸覺(jué)反饋和細(xì)膩感知能力奠定了基礎(chǔ)，將在機(jī)器人技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用，并有望應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)。
工作原理：模擬指紋特征的柔性滑覺(jué)傳感器
這項(xiàng)機(jī)器人技術(shù)重要突破，由論文通訊作者、南方科技大學(xué)郭傳飛教授和同事等合作完成。
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，人類在撫摸物品表面時(shí)，能通過(guò)靜壓力和高頻振動(dòng)來(lái)辨別物體，而之前的工觸覺(jué)傳感器方法只能基于觸覺(jué)或多重傳感器來(lái)識(shí)別物品，對(duì)于已有的系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的識(shí)別與分辨，在開(kāi)發(fā)高分辨、高靈敏度的人工傳感系統(tǒng)其實(shí)一直存在不小的挑戰(zhàn)。
這種仿人指紋的觸覺(jué)傳感技術(shù)的核心是一個(gè)柔性的滑覺(jué)傳感器，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這一觸覺(jué)技術(shù)系統(tǒng)集成到一個(gè)仿生人工手掌上。當(dāng)這只仿生手撫摸物體時(shí)，可以實(shí)時(shí)感受和分析表面的材質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)“知覺(jué)觸覺(jué)”。
通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析這些豐富的觸覺(jué)信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該傳感器能識(shí)別包括亞馬、尼龍、泡泡紗等20種不同材質(zhì)，并且識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)100%。
相比傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單接觸或壓力傳感器，仿人指紋滑覺(jué)傳感器可以提供更為豐富和靈敏的交互信號(hào)，這種傳感器模擬了人體指紋對(duì)表面形狀和紋理的感知機(jī)制，是新一代生物啟發(fā)式傳感器的典型代表。
不僅如此，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)后續(xù)的進(jìn)一步研究，將有助于提高機(jī)器人的感知能力，并有望應(yīng)用到假肢領(lǐng)域。未來(lái)佩戴仿生義肢的患者，也許可以借助類似的微紋理觸感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面和自己身體位置的感知，從而恢復(fù)基本的觸覺(jué)功能。
當(dāng)前機(jī)器人觸覺(jué)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
盡管科研團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人觸覺(jué)傳感器上取得了一定的進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)和人體皮膚相似豐富性能的“電子皮膚”，離實(shí)用化、泛用化目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。
首先是對(duì)多模態(tài)復(fù)合信息的感知能力。人體的觸覺(jué)系統(tǒng)可以同時(shí)感受壓力、振動(dòng)、溫度、痛覺(jué)等多種類型的刺激，并將這些刺激整合在大腦，產(chǎn)生對(duì)外界交互的綜合知覺(jué)，這是非常復(fù)雜的生物信息處理，而現(xiàn)有的機(jī)器人觸覺(jué)系統(tǒng)多停留在對(duì)單一模態(tài)信息的檢測(cè)，整合多源信息的能力非常有限。
其次是靈敏度和響應(yīng)速度。要讓機(jī)器人擁有類似人類整個(gè)手掌甚至全身皮膚的觸感覆蓋和聯(lián)動(dòng)，在材料、信號(hào)采集和算法等環(huán)節(jié)還面臨許多瓶頸。
再有就是可靠性和環(huán)境適應(yīng)性?，F(xiàn)實(shí)生活中不同溫度、濕度、靜電環(huán)境都會(huì)對(duì)觸覺(jué)傳感器的性能產(chǎn)生較大影響，而泛用化的機(jī)器人系統(tǒng)需要7*24小時(shí)持續(xù)高效可靠地工作，這對(duì)觸覺(jué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高要求。
除此之外，成本效益也是必須考慮的因素。目前各種新型傳感器由于制作復(fù)雜，限制了其大規(guī)模商用應(yīng)用，只有在保證一定性能的前提下大幅降低成本，這些前沿技術(shù)成果才能真正惠及社會(huì)。
面向未來(lái)的機(jī)器人觸覺(jué)技術(shù)
盡管當(dāng)前的技術(shù)還不夠成熟，但科學(xué)家們對(duì)機(jī)器人觸覺(jué)技術(shù)的未來(lái)前景還是抱有很大期待。研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)除了可用于人形機(jī)器人的精細(xì)觸覺(jué)，還可以延伸至虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，結(jié)合虛擬環(huán)境的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)，大幅提升用戶的沉浸感。
當(dāng)機(jī)器人和各類智能系統(tǒng)擁有更精細(xì)、更豐富的觸覺(jué)反饋后，將對(duì)人與機(jī)器的交互模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。我們有理由相信，未來(lái)的人機(jī)交互定將更將真實(shí)、自然、智能。
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