磁性材料实现超敏感机器人指尖

磁性材料实现超敏感机器人指尖。

想象一下，未来你家里的智能机器人，它需要收拾地板上的杂物、清扫并且收拾碗碟。在这种情况下，如果机器人存在1%的失误率，就意味着洗100个盘子，就会打碎1个。当然，这是完全无法接受的，这意味着你家的地板上出现了碎瓷片，而你的机器人只会陷入悲伤、错误的反馈指令中，在打碎盘子、清扫并打碎更多盘子的指令中循环往复下去。

为了避免这样的噩梦出现，近日香港大学的电脑科学家与美国的工程师们合作研发出一种技术，赋予机器人一种超灵敏的触觉。这是一种以非人类、果断的方式感受手指自身磁场细微变化的技术，未来可应用于制造超敏感假肢。

由于手指中存在一种被称为机械感受体的专业感觉细胞，人类可以通过指尖感受压力与物体的纹理。这些感觉细胞从整体上还伴随着神经系统，它们将周围环境中的力学信息转化为一种信号，人类的大脑将它理解为“感知”。结合身体上的温度感受体和疼痛感受体，人们就能够在不伤害自身的情况下操控周围的世界。

我们希望机器人也能够做到同样的事情，除了避免伤害自己和我们。论文第一作者、香港大学的电脑科学家Yan表示：“在触觉反馈方面，对于家用机器人来说与人类的互动是比较安全的，运用这项技术，机器人能够完成更多过去无法做到的高难度任务，比如灵活的抓取与操作。”

然而，想要简单粗暴地完全复制人类复杂的触觉系统是不可行的，研究团队只尝试复制了其中的一小部分。

在这项研究中，机器人的指尖皮肤主要由已磁化的薄膜所组成，能够在机器设备中形成磁场。而手指的支撑骨骼是一块电路板，其中布满了多个触觉传感器，触觉传感器的核心由一层经单面多级正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷电路板上的霍尔传感器组成。磁膜和霍尔传感器之间可以填充不同厚度和弹性的硅胶，用来调节传感器的灵敏度和量程。当有外力施加于磁膜上时，霍尔传感器将测量到由磁膜变形所引起的磁场变化，进而可以测量出所施加外力的大小和方向。

如果你用一个铅笔橡皮戳手指尖，磁场皮肤被压制，手指磁场就会发生微妙的变化，随后传感器就会分析决定橡皮在哪里进行了接触。如果你与类人机器人的指尖相撞，机器就会定位它的手指哪里与目标物发生了接触，并提升握力。想象一下，当你轻轻地握住一只杯子向里面倒水，当水杯变重，重力会让水杯试图脱离你的手，很显然当你感受到时，你会握紧把手。可是对于机器人来说，让它们做出同样的选择并不是件容易的事情。

触觉传感器是一种用于机器人中模仿触觉功能的传感器，可以赋予机器人通过接触来感知外部环境并与之交互的能力，在机器人灵巧操作、人机共融、模式识别等领域都发挥着重要的作用。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，近年来科学家已经提出过多种多样的触觉传感器的研发方案，但目前大都处于实验室研究阶段，达到产品化的并不多。

Yan教授表示，“这种经单面多极的正弦磁化后的磁体在学术上被称为Halbach列阵，其一个重要特点就是可以在削弱一侧磁场的同时可以极大地加强另一侧磁场。实际上，这项技术在粒子加速器、磁悬浮列车、电磁炮等前沿领域都发挥了重要的作用，就连我们日常使用的冰箱贴也会用到。”

此次研究中，研究团队利用触觉超分辨率实时追踪滚动小球，展示了触觉超分辨在机器人领域的应用前景。在实验场景中，研究人员利用超分辨率实时追踪了在磁性皮肤上滚动的小球的接触位置和接触力大小，将定位精度提高了两倍。进一步，通过神经网络的定量计算，该定位精度可以被提高到0.1mm，达到磁性皮肤物理分辨率（相邻传感单元的距离6mm）的60倍。研究人员表示：“我们针对磁膜的特性设计了深度学习方法，将其超分辨率提高到了60倍，达到了与人类皮肤的超分辨率（约40倍）可比的程度。如此以来，我们可以在实现功能的同时，极大地减少机器人皮肤中的传感单元与布线，从而提高智能皮肤的易用性。这对未来把人工皮肤覆盖于机器人全身，使机器人拥有和人类一样的全身触觉感知能力至关重要。”

美国哥伦比亚大学机器人专家Matei Ciocarlie表示：“这项研究为触觉科技的发展带来了一股新浪潮，由此制造的传感器将传递更加丰富的原始数据。”有趣的是，Ciocarlie的研究团队不久前曾发明了一种相似的利用光能驱动的机器人手指，而不是磁力。这种机器手指上嵌入了LED灯和二极管，用于监测当皮肤变形时，组织内部的光发生了怎样的变化。不过，从伦理道德的角度来讲，将痛感信息传递给佩戴假肢者是一件比较复杂的事，因为医疗专业人士不应该将病痛带给患者。一位名为Angel Giuffria的医生表示，过度压力的警告指示完全可以通过另一种方式表现，比如声音，而不一定要通过痛觉告诉人们他们正在损坏假肢。

无论是这种新型磁性系统，还是光能机器手指都显示出，科学家们不需要一味地复制人类的生物特性以获得感知功能。事实上，我们最终要尝试创造出机器人自身的感知系统，人类的身体会限制机器人的发展，我们需要培养出机器自身的灵敏度。比如当一个机器人在一个特殊的环境下，不需要温度感应时，就可以自动关闭这项功能。

关于未来，研究人员表示他们将继续致力于开发出更多功能各异的磁性皮肤，并针对不同的场景设计出特定的超分辨率算法，实现硬件和软件的深度融合，从而极大地拓展磁性皮肤的应用场景。或许在不远的将来，覆盖有人工皮肤的家庭机器人将成为我们日常生活中不可缺少的部分。

编译自wired网站

（责任编辑 姜懿翀）