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【浙江日报】追寻“一束光”的潜力:之江实验室以微纳光纤技术实现类人触觉感知

 发布日期:2022-02-25

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2月25日,《浙江日报》前沿版刊发了对之江实验室类人感知研究中心触觉感知研究团队的专访稿。让我们跟随记者的文字,共同探寻类人触觉感知技术的奥秘吧!

精细的动作控制,敏锐的触觉体验,丰富的情感交流……假如没有触觉,人类要失去认识并理解世界的多少乐趣。

现在,“一束光”让机器人也能够拥有触觉?

具有类人触觉感知能力的“光子皮肤”、高性能光致动微型机器人夹爪……之江实验室类人感知研究中心触觉感知研究团队经过两年多潜心研究,率先提出基于微纳光纤的触觉感知与再现研究新思路,技术成果“激起千层浪”,让国内外学者直呼“惊喜”。

触觉有多重要?机器人是怎么实现触觉的?这项技术能给我们带来怎样的变化?近日,记者对话该研究团队成员,与他们畅聊类人触觉感知技术,体味“之江力量”。 


传递触觉的“特殊道路”

我们对这个世界最初的感知通常是从触觉开始的——第一声啼哭之前,婴儿经历过诱发哭声的拍打;成长中提笔、拍球;生活中握手,敲击键盘,使用手机……触觉充斥着我们日常生活的方方面面。

2021年,诺贝尔生理学或医学奖颁给了美国科学家大卫·朱利叶斯和阿登·帕塔普蒂安,表彰理由正是他们发现了“温度和触觉的受体”。

当然,相较于视觉和听觉等其他感官,触觉研究相对滞后,主要原因在于其感知机制、复现和数字化进程困难重重。在人工智能迅速发展的今天,如何实现“类人触觉感知”,已成为当今科学研究的前沿热点之一。

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触觉感知研究团队在实验中

微纳光纤是之江实验室着力探寻的技术路径之一。作为一种新型光波导,微纳光纤的直径是头发丝的几十到几百分之一,具有独特的光学和力学特性,被誉为“下一代光纤”。在这样一个直径范围内,它传输光的特性会发生明显改变——很大一部分光以一种叫倏逝场的特殊形式在微纳光纤表面传输。

“微纳光纤外围的强倏逝场对于外界微弱压力或温度刺激非常敏感。比如一片飘落的羽毛、一段悠扬的音乐,或者是人体无法分辨的0.01℃的温度变化,都会造成封装在柔性薄膜中微纳光纤输出光谱的显著改变,这使得微纳光纤很适合制作高灵敏的触觉传感器。”之江实验室类人感知研究中心研究专家张磊说。

在实验室里,张磊向记者展示了他们所研究的微纳光纤。它由标准光纤通过加热拉伸获得,结构上呈现中间细、两端粗。

“中间那部分就是微纳光纤,我们用它来感受外界的微弱刺激;而两边未拉伸的部分是标准光纤,起到传输信号的作用。”张磊说。

目前,在突破微纳光纤可控制备和柔性封装等关键技术的基础上,团队搭建了一套基于微纳光纤传感器的机器人触觉感知系统,研究力、温度、湿度、硬度和纹理传感等类人触觉感知技术。

也许在未来有一天,你在杭州工作,朋友在北京学习,虽相隔千里,只要使用这项类人触觉感知技术,大家就可以像打电话一样,实时“握手”和“拥抱”。


模仿多种知觉的感受器

既然是模仿人类的触觉系统,那么这套设备是如何工作的呢?

对人类来说,当人体皮肤感受到触摸带来的压迫,马上会发出一个微小的信号,这个信号会随神经纤维到达大脑,大脑可以马上感受到这次触摸并分辨出触摸的大小和位置。

模仿人类触觉系统的工作原理,手部触觉可以增强机器人物体识别和灵巧操作的能力,体表触觉可以让机器人在人机共存时具备更好的协作性和安全性,而足底触觉则可以提高机器人的平衡性、机动性和适应性。

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具有类人触觉感知功能的机械手

“传感器是机器人从环境中获取信息的媒介,感知是智能机器人工作闭环中的第一步。”之江实验室类人感知研究中心研究专员余龙腾告诉记者,团队巧妙地将整个过程拆分开来,分门别类进行处理。在传感器的设计上,他们采用微纳光纤等敏感材料去感受外界的刺激,产生的信号经过标准光纤传输到计算机,由计算机来处理并给出反馈指令。

在机器人的实际应用中,为了实现灵巧操作和触觉反馈等过程,力感应和滑动检测功能至关重要,一款柔性触觉传感器应运而生。

记者在现场看到,该传感器拥有类似指纹的沟壑表面,以及不同软硬的多层结构,和人类手指皮肤的结构特征非常相似。“凭借这些设计特点,当传感器与不同形状和材料的物体接触时,它可提供与抓握和滑动相关的有用信息。”余龙腾说。

除了感知力信号外,皮肤还可以感知热觉、冷觉、痛觉等多种触觉类型,这要归功于皮肤中4种感知不同类型刺激的感知小体。

温度感知能力是团队在触觉感知上的另一个突破。在实验中,将微纳光纤传感器布置在机械臂指尖,它可以对不同冷热的咖啡进行识别和操作。

机器人先用手指依次从冷、温、热三杯咖啡上方掠过,微纳光纤传感器以非接触方式感知咖啡温度,从而让机器人判断所需咖啡位置。盛放咖啡的杯子柔软易变形,机器人借助微纳光纤的力传感控制抓力,保证杯子被稳稳抓起而不会溢出咖啡。

之江实验室类人感知研究中心研究专员肖建亮告诉记者,虽然类人触觉传感器目前还达不到人体的智能程度,但在部分感知上可以做到超越人类极限,“一粒花粉落在皮肤上面,我们人体是感觉不到的。但对于类人触觉传感器来说,其灵敏度和分辨率可以设计到足够高,感受到常人感受不到的东西。”


监测生理信号的“守护者”

想象一下,未来人们只需携带一个几平方厘米大小的传感器,医生就可以在办公室里第一时间看到准确的生理信号,根据人们的健康状况制定相应的措施,那是多么方便的一件事。

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机械手灵巧操作,借助触觉反馈稳定抓取易变形常见物品

记者了解到,利用微纳光纤制备的触觉传感器和我们印象中的传感器有明显的不同,它具有良好的柔韧性,可以穿戴在人们身上。通过对微弱压力、应变、温度和湿度参量的高灵敏度和快响应的感知,可实时监测我们的脉搏和血压等信号的变化。

“通常情况下,压力、温度、湿度等信号会存在串扰,因此难以准确有效地提取生理信号。”张磊说,针对人体生理信号的健康监测,团队对传感器结构做特殊设计,使它可以感受到0.01℃的皮肤温度变化;同时为了进一步提升微弱生理信号的监测能力,研制出灵敏度达102 kPa-1的高性能应变传感器,实现了对声音和指尖脉搏的实时监测。

在我国人口老龄化程度加深的背景下,这种传感器可以让未来的医护人员更好地在远程监测老年人或病患的生理信息,更及时地给需要帮助的人提供医疗服务。可以说,触觉感知研究团队的工作让科技的力量能够成为照进我们生活里的“一束光”。

此外,为发展触觉再现技术,使器件在具备“感知”能力的同时具备“执行”能力,团队以微纳光纤为核心,构建了用于智能柔性抓取的光波导型软体致动器。

“这是一种由微纳光纤和智能材料共同组成的微型智能器件,是人工肌肉、软体机器人及微操控等技术的基础。”肖建亮介绍,“微纳光纤致动器可以抓取不同形状、大小的物体,还可以在大范围内抓取、移动、操控物体,弥补了空间光型致动器‘精准操作难’的缺陷。有了软体致动器的配合,触觉传感器的技术链路也会更加完整。”

有了微纳光纤的加持,在不远的未来,我们也许可以看到机器在体内复杂腔道中自由“游动”,中风患者在康复治疗中拥有了外骨骼,生命科学研究者可以抓取微米级细胞……

之江实验室的最新研究成果,让所有“追光者”更加确信:一束光里,潜藏着柔软却强大的力量。



浙江新闻+

人工智能研究的一项基本内容是类人感知。就是要让机器具有类似于人的感知能力,如视觉、触觉、听觉、味觉、嗅觉。

类人视觉的起源可追溯到20世纪60年代美国学者L.R.罗伯兹对多面体积木世界的图像处理研究,以及70年代美国麻省理工学院人工智能实验室“机器视觉”课程的开设。一般认为类人视觉“是通过光学装置和非接触传感器自动地接受和处理一个真实场景的图像,通过分析图像获得所需信息或用于控制机器运动的装置”。

类人听觉,就是让机器人能听懂人说的话,更好地服务人类。最为大众熟知的“机器听觉”任务,就是语音识别。机器人能从语音中获得文字、语种、说话人身份、说话人情绪等信息。

类人味觉的研究从人体舌头感知味觉的过程切入,通过研究味道对舌头产生的刺激以及味细胞表面的生物膜在接收到这种刺激时产生的电压变化,进行味觉传感器研究。目前,类人味觉帮助不少企业实现了食品在味道与营养上的平衡。

类人嗅觉,就是让机器人可以识别气体,它对感觉气体的灵敏度和分辨率都很高,连极微量的物质成分都能感知到。对于在大量烟雾、火焰、有害气体环境中作业的火灾救援机器人,以及在与人类共存的空间中工作的机器人,嗅觉传感器是必不可少的。