仿生系列5--誰(shuí)的手更敏感
手是人體最“多才多藝”的器官，我們通過手上的皮膚來(lái)感知周圍的世界，那么，機(jī)器人的人造皮膚是否也能夠用來(lái)感知周圍環(huán)境呢？
人類從幼兒時(shí)代開始就喜歡觸摸各種物體，從可愛的塑料玩具到燙手的電爐，好奇心壓倒一切，因?yàn)槿祟愋枰ㄟ^觸摸去了解不同物體表面的質(zhì)感，以及感知溫度和疼痛，對(duì)外界環(huán)境和規(guī)律的感知不是人類與生俱來(lái)的，必須通過皮膚的觸摸去學(xué)習(xí)。
在我們的皮膚中大約有500萬(wàn)個(gè)神經(jīng)感受器，也就是所謂的感覺細(xì)胞，它們分布于大約1.5m2~2m2的面積之內(nèi)，它們讓我們能夠感知外部世界，包括輕微觸碰、疼痛、寒冷以及溫暖等。仿生機(jī)器人希望模擬人類當(dāng)然需要類似的感覺器官，為此，科學(xué)家正試圖為機(jī)器人設(shè)計(jì)人造皮膚，并且目前已經(jīng)取得了一些成效，已有的人造皮膚不僅比人類皮膚反應(yīng)更快，而且還能夠具有一些特殊的功能。
更智能的觸覺：機(jī)器人需要更復(fù)雜的傳感器
觸覺對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗鼈冏罱K將被用于負(fù)責(zé)完成一些人類的工作，例如在家中或者醫(yī)院照顧老年人。此時(shí)，它們需要有準(zhǔn)確的觸覺，才不至于在拿起一個(gè)玻璃杯時(shí)將杯子捏破。如果不細(xì)想的話，或許我們會(huì)認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該很容易做到不犯這樣的錯(cuò)誤，表面上看機(jī)器人利用頭上的光線傳感器和手指上的壓力傳感器應(yīng)該能夠處理好這兩項(xiàng)工作，光傳感器掃描房間并且鑒定物體，壓力傳感器根據(jù)掃描的結(jié)果判斷用多大的力量抓起杯子即可。這與人類在普通情況下拿起一個(gè)杯子時(shí)所做的事情一樣，人們首先通過眼睛觀察杯子，大腦迅速地判斷物體的材料、重量，并控制身體以適當(dāng)?shù)牧饽闷鹚２贿^，根據(jù)慕尼黑技術(shù)大學(xué)工程師Philipp Mittendorfer的介紹，人和機(jī)器人之間有一個(gè)很大的區(qū)別，那就是當(dāng)玻璃杯被另外一件物體遮蓋時(shí)，例如一塊布蓋住了玻璃杯，人仍然能夠正常地拿起它。而機(jī)器人如果僅憑上面介紹的光線傳感器和壓力傳感器，則無(wú)法完成這一項(xiàng)任務(wù)，因?yàn)樗鼰o(wú)法通過光線傳感器識(shí)別這是一件什么物體，當(dāng)然也就無(wú)法控制壓力傳感器以正確的力量抓取它。而人生下來(lái)就開始學(xué)習(xí)通過觸覺去感知物體，人們能夠通過經(jīng)驗(yàn)判斷布下面蓋住的是什么。而機(jī)器人如果要模仿人類的這一操作，則需要讓機(jī)器人和人類一樣擁有能夠感覺物體材質(zhì)、溫度的器官，按照目前的仿生機(jī)器人技術(shù)水平，這將需要很多種傳感器才能實(shí)現(xiàn)。
科學(xué)家目前正努力地研究這些傳感器，根據(jù)Philipp Mittendorfer的介紹，目前工程師已經(jīng)可以使用32位處理器PIC32來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)5cm2大的模塊來(lái)模仿皮膚，這種模仿人體皮膚觸摸功能的模塊由多種傳感器組成，其中包括溫度傳感器和感知震動(dòng)的加速度傳感器以及紅外線距離感應(yīng)器。每一個(gè)模塊都需要經(jīng)過獨(dú)立的編程和校準(zhǔn)，才能夠適應(yīng)機(jī)器人的系統(tǒng)。在數(shù)量比較少的情況下，這種模塊能夠工作得很好。但是由于每一個(gè)模塊都需要編程和手動(dòng)調(diào)整，而蓋住機(jī)器人整個(gè)身體的人造皮膚將起碼需要幾百到數(shù)千個(gè)模塊，毫無(wú)疑問，這將是一個(gè)浩大的工程。此外，作為人造皮膚的一部分，所有的模塊還需要鏈接成一個(gè)整體，需要調(diào)整這些模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，這無(wú)疑將更加復(fù)雜。
自我意識(shí)：該在哪里停下來(lái)
將獨(dú)立的模塊組成一張人造皮膚，必須將所有的模塊鏈接起來(lái)，建立彼此間的聯(lián)系。在此情況下，模塊將不直接向機(jī)器人的計(jì)算系統(tǒng)發(fā)送信息，而是通過鄰近的模塊發(fā)送。每一個(gè)模塊需要有自己的身份編碼，讓系統(tǒng)能夠了解數(shù)據(jù)的來(lái)源。當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)還可以切換至故障模塊鄰近的模塊，繼續(xù)采集需要的數(shù)據(jù)。與人類相比，機(jī)器人計(jì)算系統(tǒng)能夠以更快的速度響應(yīng)來(lái)自模塊的信號(hào)，人類神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳輸和響應(yīng)的時(shí)間大概需要200ms~300ms，而機(jī)器人系統(tǒng)與模塊之間的信號(hào)傳輸只需要2ms~3ms。不同的是人類具有超前意識(shí)，而并不是像機(jī)器人一樣，所有的行動(dòng)都必須在傳感器獲取信號(hào)后再通過系統(tǒng)檢索編程模型的相關(guān)指令才能繼續(xù)運(yùn)作。
將模塊鏈接成真正的人造皮膚之后，其作用絕不僅僅是感知環(huán)境。通過人造皮膚，機(jī)器人能夠?qū)⒁庾R(shí)傳達(dá)到全身，并結(jié)合模塊采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣機(jī)器人將能夠?qū)W習(xí)認(rèn)識(shí)自己。這將是邁向智能機(jī)器人的重要一步，因?yàn)橹挥羞@樣機(jī)器人才能夠清楚自己應(yīng)該如何行動(dòng)。迄今為止，仿生機(jī)器人進(jìn)入到醫(yī)院照顧病人的一大障礙是無(wú)法很好地解決碰撞問題，因?yàn)樵跊]有人造皮膚的情況下，機(jī)器人無(wú)法知道在當(dāng)前的環(huán)境下機(jī)器臂不能再提高了，甚至它的腿斷了，也仍然會(huì)繼續(xù)按照以往的方式運(yùn)動(dòng)。而這一切在有了人造皮膚后將完全改變，按照Philipp Mittendorfer的說(shuō)法，人類在幼兒時(shí)期同樣需要通過不斷的學(xué)習(xí)，自我認(rèn)識(shí)、自我體驗(yàn)和自我控制，學(xué)會(huì)走路并學(xué)會(huì)在什么地方應(yīng)該停下來(lái)。而機(jī)器人在有了皮膚之后，也能夠做到，也可以通過皮膚感知周圍的環(huán)境，并可以感覺到自己身體各部分目前的狀況。不過，前提條件是人造皮膚的觸覺模塊必須能夠覆蓋機(jī)器人的全身，以目前的仿生機(jī)器人技術(shù)來(lái)說(shuō)，這將需要一些時(shí)間，首先必須將模塊設(shè)計(jì)得足夠小且靈活，而目前，研究人員在機(jī)器人身上最多也只能安裝31個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行測(cè)試。
總的來(lái)說(shuō)，人造皮膚是仿生機(jī)器人研究的重要一步，未來(lái)，機(jī)器人將通過人造皮膚感知溫度的變化，實(shí)現(xiàn)觸摸功能并避免碰撞，能夠與人和各種交互對(duì)象更好地互動(dòng)。不過，要造出像人類皮膚一樣的人造皮膚并不容易，下一步的工作，將是設(shè)計(jì)可以彎曲和附在機(jī)器人身體上的模塊，以適應(yīng)更小的傳感器和更細(xì)致的邏輯程序。不過，擁有觸感的機(jī)器人已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)了，或許，很快將能夠讓它們來(lái)為我們做飯。
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