可以想象，在不久的將來(lái)，諸如洗碗、拖地、擦玻璃之類(lèi)的家務(wù)都會(huì)由家用機(jī)器人來(lái)承擔(dān)，人類(lèi)的雙手就能夠從繁瑣小事中進(jìn)一步解放出來(lái)。

但是一個(gè)重要的前提是，這些機(jī)器人必須足夠完美——如果他們存在錯(cuò)誤率，哪怕只有千分之一，就可能意味著，它在洗碗時(shí)，每 1000 個(gè)餐具中就會(huì)有 1 個(gè)掉在地上，而這是我們無(wú)法接受的。

因?yàn)橹罂峙聲?huì)陷入一個(gè)惡性循環(huán)——地板不斷被餐具碎片覆蓋，機(jī)器人繼續(xù)清理，清理過(guò)程中會(huì)摔掉更多的盤(pán)子，循環(huán)往復(fù)，無(wú)休無(wú)止。

為了避免這種噩夢(mèng)的發(fā)生，工程師們需要賦予機(jī)器人足夠敏銳的觸覺(jué)，最好是能夠達(dá)到接近人類(lèi)的感知水平。

人類(lèi)的皮膚可以感知法向力和剪切力的細(xì)微變化（即自解耦），并能夠以更高的分辨率感知刺激（即超分辨）。換句話(huà)說(shuō)，人類(lèi)的指尖可以感受到壓力和紋理，這主要?dú)w功于皮膚上一種叫做機(jī)械感受器的特殊感覺(jué)細(xì)胞。

這些細(xì)胞連同整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)，將來(lái)自環(huán)境的機(jī)械信息轉(zhuǎn)換成大腦可以理解的“觸覺(jué)”感知的信號(hào)。結(jié)合溫度感受器和痛覺(jué)感受器，人類(lèi)就可以在不傷害自己的情況下完成對(duì)周?chē)h(huán)境的操控。

然而現(xiàn)有的機(jī)器人卻不具備精確的力解耦、以及適當(dāng)?shù)目臻g分辨率，那么，如何才能讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓握，避免餐具破損或者給人類(lèi)帶來(lái)?yè)p傷呢？

近日，香港城市大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、南方科技大學(xué)組建的科研團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了一種機(jī)器人指尖“皮膚”——一種柔軟的正弦柔性磁化薄膜，厚度為 0.5 mm，這種薄膜會(huì)在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。

支撐手指的“骨頭”是一塊電路板，上面布滿(mǎn)了傳感器，可以監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)。例如，將一塊橡皮放在指尖上，手指的磁場(chǎng)就會(huì)因?yàn)槠つw凹陷發(fā)生微妙的變化，然后傳感器就會(huì)據(jù)此分析橡皮接觸的位置。如果用這些指尖拍一下仿人機(jī)器人上，機(jī)器就能夠很快明確手指和物體接觸的位置，進(jìn)而提高抓地力。

圖 | 磁性皮膚的結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Science Robotics）

他們將傳感器安裝在機(jī)器人手爪的指尖上，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種具有自解耦和超分辨能力的軟觸覺(jué)傳感器可精確測(cè)量法向力和剪切力（一維演示），并通過(guò)深度學(xué)習(xí)將超分辨精度提高了 60 倍——機(jī)器人可在外界干擾下穩(wěn)定地抓取易碎物體，并能夠通過(guò)遙控操作完成穿針等任務(wù)。

該研究成果發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》（Science Robotics）雜志上，標(biāo)題為《實(shí)現(xiàn)自解耦與超分辨率觸覺(jué)感知的柔性磁性皮膚》（Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling）。

“有了觸覺(jué)反饋，家用機(jī)器人與人的互動(dòng)會(huì)安全得多，而且機(jī)器人可以完成以前無(wú)法完成的更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，比如靈巧的抓取和操作。”香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，上述論文的第一作者閆友璨表示。

這種磁性皮膚的敏感程度：當(dāng)物體劃過(guò)“指尖”時(shí)，該系統(tǒng)不僅能感知到物體觸碰到的地方，還能感知到物體的形狀。

哥倫比亞大學(xué)機(jī)器人學(xué)家 Matei Ciocarlie 評(píng)論道：“這項(xiàng)工作是觸覺(jué)傳感領(lǐng)域中令人興奮的新浪潮的一部分，即人們正在制造的傳感器，能夠提供極其豐富的原始數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)卻不一定是為了供人類(lèi)使用的?！?/p>

有趣的是，Ciocarlie 在哥倫比亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)出了一種類(lèi)似的機(jī)械手指，但這種手指利用的不是磁力而是光——機(jī)械手指的“骨頭”上布滿(mǎn)了發(fā)光二極管（LED）和光電二極管，可在皮膚變形時(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光如何發(fā)生變化。

事實(shí)上，這兩種方法的初衷都是為了攻克機(jī)器人靈巧度欠缺的問(wèn)題。如果要讓這些機(jī)器在人類(lèi)世界里發(fā)揮真正的作用，例如零失誤地做完家務(wù)，他們就必須變得更加敏感，而在提升機(jī)器人觸覺(jué)感知方面，顯然我們還將有很長(zhǎng)的路要走。

據(jù)悉，在不久的將來(lái)，研究人員可能將這種指尖整合到假肢中，讓截肢者通過(guò)假肢獲得更豐富的觸摸體驗(yàn)。

不管怎樣，新型磁性皮膚等類(lèi)似的研究成果表明，科學(xué)家們?cè)跒闄C(jī)器人開(kāi)發(fā)感官功能時(shí)，并不需要完全復(fù)制人類(lèi)的生物學(xué)特征。因?yàn)?，?dāng)我們?cè)噲D將人類(lèi)的身體功能復(fù)制到機(jī)器人身上時(shí)，反而會(huì)形成某種局限性，或許我們可以讓機(jī)器人擁有超出人類(lèi)想象的敏感性。

本文介紹的這項(xiàng)研究恰恰為觸覺(jué)傳感器的研發(fā)與設(shè)計(jì)提供了全新的思路，并有助于機(jī)器人領(lǐng)域的人機(jī)交互、自適應(yīng)抓取和靈巧操作等各種應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

編輯：jq