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新型AI“光指”能看见力的大小,无盲点定位触觉,精度接近人类手指

核心提示:不需要外接太多线缆和其他电子设备,当机器人手指触摸物体时,外部会变形,并且骨架上的光电二极管会检测到发光二极管发出的光的变化。

机器人在视觉和听觉方面已经处在不断进化的阶段,但是对于触觉、嗅觉和味觉,它们几乎“一无所知”。如果之后要和机器人做朋友,我们当然不希望在和它们握手或者拥抱的时候被挤压骨折。

聪明的机器人需要触觉。

人类皮肤能感知触觉、痛觉、热觉等多种感觉,其中触觉感知最为重要。人的触觉主要通过分布在皮肤不同深度的四种触觉感受器来感知,但要实现快速响应、稳定抓取、拉伸、切向力和运动方向等等感觉功能,对机器而言极为复杂。

(图源:liu.se)

几十年来,机器人专家一直在思考如何让机器有感觉,也就是触觉传感。目前最基本的方法是使用换能器将压力转换为电信号。

根据传感器本身的软、硬包覆层和覆盖应用范围,触觉传感器通常分为三类,近年来国际上重点研究的是其中的柔性皮肤、电子皮肤触觉传感器。尽管在两年前诞生了世界首条柔性人造触觉神经,但人造皮肤依旧进展缓慢。

哥伦比亚大学机械工程与计算机科学系副教授 Matei Ciocarlie 说:“一直以来很难跨越的鸿沟是,制造触摸传感器和制造手指是有区别的。”

于是 Ciocarlie 和电气工程教授 Ioannis (John) Kymissis 想出一种 “新奇” 的思路——“光指”,研究团队称“他们的手指可以在一个很大的、多曲线的表面上以极高的精度(

这项研究发表在国际知名刊物《IEEE/ASME 机电一体化会刊》。

(图源:哥伦比亚大学)

通俗来说,这个手指不是通过触觉神经来感受,而是通过 “看” 自己手上的光亮程度来判断力的大小。

这种光指是由 3D 打印机做出的骨架,骨架上嵌入了 32 个光电二极管和 30 个相邻的 LED,为了使这些亮光“仅机器人自己可见”,手指外表用柔软的反光硅胶皮肤覆盖。

当机器人手指触摸物体时,外部会变形,并且骨架上的光电二极管会检测到发光二极管发出的光的变化。由此,系统就可以确认手指什么地方在摸东西,以及用了多大的力。所以,机器人不会感觉到触觉,而是会 “看到” 触觉。

(来源:哥伦比亚大学)

此前,一家名为 SynTouch 的公司研发出一种“盐水手指”,手指内部是 19 个超灵敏电极,电极和硅外皮之间注入了盐水。当接触东西时,电极会通过盐水检测电阻的变化,从而知道触摸的位置和强度。

哥伦比亚大学的 “光指” 原理其实和 “盐水手指” 很相近,只不过把电极和盐水换成了 LED 灯和光电二极管。最大的不同在于,“光指”融入了 AI 机器学习算法,分析处理更精确,同时还具备自我校准和不断学习的能力。

如果戳一下这个“光指”,所有的广电二极管都会“动起来”,靠近被戳地方的光电二极管反馈更大,远的地方反馈较小。整个系统能非常详细地获取所有信息。也就是说,你戳一下“光指”,手指内部需要处理 32 个光电二极管和 30 个 LED 发出的 960 个信号。另外,由于光可以在弯曲的空间中反弹,这些信号可以覆盖复杂的三维形状,比如指尖。

“我们的结果表明,深度神经网络可以非常高精度地提取此信息,” Kymissis 说,“我们的设备从一开始就是真正设计成可与 AI 算法结合使用的触觉手指。”

“人的手指提供了令人难以置信的丰富的联系信息——在每平方厘米的皮肤中有超过 400 个微小的触摸传感器!” Ciocarlie 说。“这个模型促使我们尝试从手指上获取尽可能多的数据。确保手指四周的所有接触都被覆盖是至关重要的——我们基本上建造了一个没有盲点的触觉机器人手指。”

其实,相比于其他刚性换能器,“光指”还有另外一个优势,即不需要外接太多线缆和其他电子设备。该团队表示,把这样一根 “光指” 连接到手上只需要一条 14 线电缆。

图 | “光指”,为了显示内部构造,此处没有包覆外层“硅皮肤”(来源:哥伦比亚大学)

接下来,研究人员打算进一步用集成了 “光指” 的手来尝试证明其灵巧的操作能力。

就像是女生下班回家路上从乱七八糟的包里翻找口红一样,光线不足的时候只能靠摸形状来判断,机器人也可以学会在视觉和触觉之间来回切换。

此项研究真正吸引人的地方在于,当其他工程师执着于让机器人从生物神经上模仿人类时,他们尝试用一种 “非人类” 的方式混合了视觉和触觉输入。尽管这根 “光指” 目前还不能感受到温度、粗糙或者柔软,但是研究人员似乎正在寻找另一个解决方案——听出粗糙感和柔软感。

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