機(jī)器人能否像人類一樣，擁有一層柔軟、靈敏、能知冷知熱的“皮膚”？近期，英國(guó)劍橋大學(xué)和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》雜志上發(fā)表一項(xiàng)成果：他們研發(fā)出一種新型柔性導(dǎo)電機(jī)器人“皮膚”，可同時(shí)感知壓力、溫度等，甚至可以區(qū)分多個(gè)接觸點(diǎn)，以類似人類的方式獲取周圍環(huán)境信息。論文第一作者、劍橋大學(xué)工程系博士大衛(wèi)—哈德曼在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示：“這款‘皮膚’由單一材料制成，僅需一種傳感器，就能夠同時(shí)識(shí)別多種刺激，并且可塑造成各種復(fù)雜形狀，這在以前是難以實(shí)現(xiàn)的。”
人體皮膚內(nèi)分布有感覺神經(jīng)及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)，其神經(jīng)末梢和特殊感受器廣泛分布在表皮、真皮及皮下組織內(nèi)，以感知體內(nèi)外的各種刺激，產(chǎn)生各種感覺，引起相應(yīng)的神經(jīng)反射。傳統(tǒng)機(jī)器人“皮膚”多依賴微機(jī)電系統(tǒng)，在表面鋪設(shè)大量微型傳感器以模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)。然而這類方案制造工藝復(fù)雜、軟硬材料易分層、結(jié)構(gòu)脆弱，且傳感器之間常存在信號(hào)干擾，難以實(shí)現(xiàn)大面積部署，功能也遠(yuǎn)未達(dá)到人類皮膚的綜合感知水平。
此次英國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的重要突破，是讓機(jī)器人用一種傳感器就識(shí)別出多種不同的刺激。這種名為“電阻抗斷層掃描”的檢測(cè)方法，通過在單層水凝膠膜周圍設(shè)置32個(gè)電極，每4個(gè)電極組合成1個(gè)測(cè)量單元，可生成超過86萬種不同的電流路徑組合，形成高密度、全覆蓋的傳感網(wǎng)絡(luò)。比如，研究人員先通過一對(duì)電極在水凝膠“皮膚”上施加微弱電流，當(dāng)外在條件變化時(shí)，如溫度升高、濕度改變、接觸物體等，水凝膠的電學(xué)特性隨之改變，進(jìn)而使此前施加的電流發(fā)生變化。另一對(duì)電極則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這一變化。通過分析電流模式的差異，系統(tǒng)即可判斷出這塊“皮膚”受到了什么刺激。
由于“皮膚”每時(shí)每刻都在接受外界傳來的多種刺激，其產(chǎn)生的“電信號(hào)”復(fù)雜多元。為有效處理這些信息反饋，研究團(tuán)隊(duì)引入人工智能算法訓(xùn)練，使系統(tǒng)能夠自主學(xué)習(xí)并識(shí)別哪些電極組合可以最有效地區(qū)分特定刺激。簡(jiǎn)而言之，這些電極作為“神經(jīng)”，人工智能作為“大腦”，特定的電信號(hào)被“大腦”識(shí)別后解讀為對(duì)應(yīng)的“感覺”，由此機(jī)器人也有了“觸覺系統(tǒng)”。
此次研究的另一重要?jiǎng)?chuàng)新體現(xiàn)在其選用的柔性材料上。該材料為水凝膠，是一種極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，導(dǎo)電性能好、柔軟可塑，對(duì)機(jī)械力、溫度和濕度均敏感。它可以直接塑造出復(fù)雜的形態(tài)，例如等比例的成人手掌模型等。用水凝膠制成的仿真“皮膚”，更加柔軟且有觸覺，為構(gòu)建高度仿生、性能穩(wěn)定的下一代人工皮膚系統(tǒng)奠定了材料基礎(chǔ)。
“這項(xiàng)基于水凝膠和電阻抗斷層掃描的多模態(tài)傳感技術(shù)，不僅是機(jī)器人感知與材料科學(xué)領(lǐng)域的新突破，還體現(xiàn)了計(jì)算智能與生物仿生融合的新趨勢(shì)。”北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院教授喻俊志對(duì)本報(bào)記者表示，該研究以一層水凝膠、一圈電極和一套識(shí)別系統(tǒng)突破了人工皮膚傳統(tǒng)設(shè)計(jì)瓶頸，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式讓柔性材料“學(xué)會(huì)”辨識(shí)復(fù)雜信息。當(dāng)人工皮膚能像人類皮膚一樣精細(xì)感知環(huán)境，人機(jī)交互的邊界正被重新定義。
盡管成果顯著，但是該技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)。例如，水凝膠在空氣中易失水干裂，且在高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定。另外，當(dāng)前系統(tǒng)完成一次全區(qū)域掃描耗時(shí)較長(zhǎng)，尚難滿足高速交互需求。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將聚焦于開發(fā)更穩(wěn)定的新型水凝膠或替代材料，并優(yōu)化算法以提升響應(yīng)速度。
“無論如何，給機(jī)器人制造‘皮膚’意義重大。”喻俊志表示，“觸覺”對(duì)機(jī)器人的改變不只是多了一種感官，而是能夠提升機(jī)器人與外在環(huán)境的交互能力，幫助其適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境。未來，此類人工皮膚有望應(yīng)用于人形機(jī)器人、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、智能穿戴設(shè)備、智能假肢、工業(yè)制造和災(zāi)后救援等領(lǐng)域。同時(shí)，該技術(shù)也將推動(dòng)柔性電子、智能材料和類腦感知系統(tǒng)等前沿科技進(jìn)一步發(fā)展。