新型AI“光指”能看見力的大小,無盲點定位觸覺,精度近人類手指

機器人在視覺和聽覺方面已經處在不斷進化的階段,但是對於觸覺、嗅覺和味覺,它們幾乎“一無所知”。如果之後要和機器人做朋友,我們當然不希望在和它們握手或者擁抱的時候被擠壓骨折。

聰明的機器人需要觸覺。

人類皮膚能感知觸覺、痛覺、熱覺等多種感覺,其中觸覺感知最為重要。人的觸覺主要通過分佈在皮膚不同深度的四種觸覺感受器來感知,但要實現快速響應、穩定抓取、拉伸、切向力和運動方向等等感覺功能,對機器而言極為復雜。

新型AI“光指”能看見力的大小,無盲點定位觸覺,精度近人類手指

(圖源:liu.se)

幾十年來,機器人專傢一直在思考如何讓機器有感覺,也就是觸覺傳感。目前最基本的方法是使用換能器將壓力轉換為電信號。

根據傳感器本身的軟、硬包覆層和覆蓋應用范圍,觸覺傳感器通常分為三類,近年來國際上重點研究的是其中的柔性皮膚、電子皮膚觸覺傳感器。盡管在兩年前誕生瞭世界首條柔性人造觸覺神經,但人造皮膚依舊進展緩慢。

哥倫比亞大學機械工程與計算機科學系副教授 Matei Ciocarlie 說:“一直以來很難跨越的鴻溝是,制造觸摸傳感器和制造手指是有區別的。”

於是 Ciocarlie 和電氣工程教授 Ioannis (John) Kymissis 想出一種 “新奇” 的思路——“光指”,研究團隊稱“他們的手指可以在一個很大的、多曲線的表面上以極高的精度(<1 毫米)來定位觸摸,這與人類的手指非常相似。”

這項研究發表在國際知名刊物《IEEE/ASME 機電一體化會刊》。

新型AI“光指”能看見力的大小,無盲點定位觸覺,精度近人類手指

(圖源:哥倫比亞大學)

通俗來說,這個手指不是通過觸覺神經來感受,而是通過 “看” 自己手上的光亮程度來判斷力的大小。

這種光指是由 3D 打印機做出的骨架,骨架上嵌入瞭 32 個光電二極管和 30 個相鄰的 LED,為瞭使這些亮光“僅機器人自己可見”,手指外表用柔軟的反光矽膠皮膚覆蓋。

當機器人手指觸摸物體時,外部會變形,並且骨架上的光電二極管會檢測到發光二極管發出的光的變化。由此,系統就可以確認手指什麼地方在摸東西,以及用瞭多大的力。所以,機器人不會感覺到觸覺,而是會 “看到” 觸覺。

新型AI“光指”能看見力的大小,無盲點定位觸覺,精度近人類手指

(來源:哥倫比亞大學)

此前,一傢名為 SynTouch 的公司研發出一種“鹽水手指”,手指內部是 19 個超靈敏電極,電極和矽外皮之間註入瞭鹽水。當接觸東西時,電極會通過鹽水檢測電阻的變化,從而知道觸摸的位置和強度。

哥倫比亞大學的 “光指” 原理其實和 “鹽水手指” 很相近,隻不過把電極和鹽水換成瞭 LED 燈和光電二極管。最大的不同在於,“光指”融入瞭 AI 機器學習算法,分析處理更精確,同時還具備自我校準和不斷學習的能力。

如果戳一下這個“光指”,所有的廣電二極管都會“動起來”,靠近被戳地方的光電二極管反饋更大,遠的地方反饋較小。整個系統能非常詳細地獲取所有信息。也就是說,你戳一下“光指”,手指內部需要處理 32 個光電二極管和 30 個 LED 發出的 960 個信號。另外,由於光可以在彎曲的空間中反彈,這些信號可以覆蓋復雜的三維形狀,比如指尖。

“我們的結果表明,深度神經網絡可以非常高精度地提取此信息,” Kymissis 說,“我們的設備從一開始就是真正設計成可與 AI 算法結合使用的觸覺手指。”

“人的手指提供瞭令人難以置信的豐富的聯系信息——在每平方厘米的皮膚中有超過 400 個微小的觸摸傳感器!” Ciocarlie 說。“這個模型促使我們嘗試從手指上獲取盡可能多的數據。確保手指四周的所有接觸都被覆蓋是至關重要的——我們基本上建造瞭一個沒有盲點的觸覺機器人手指。”

其實,相比於其他剛性換能器,“光指”還有另外一個優勢,即不需要外接太多線纜和其他電子設備。該團隊表示,把這樣一根 “光指” 連接到手上隻需要一條 14 線電纜。

新型AI“光指”能看見力的大小,無盲點定位觸覺,精度近人類手指

圖 | “光指”,為瞭顯示內部構造,此處沒有包覆外層“矽皮膚”(來源:哥倫比亞大學)

接下來,研究人員打算進一步用集成瞭 “光指” 的手來嘗試證明其靈巧的操作能力。

就像是女生下班回傢路上從亂七八糟的包裡翻找口紅一樣,光線不足的時候隻能靠摸形狀來判斷,機器人也可以學會在視覺和觸覺之間來回切換。

此項研究真正吸引人的地方在於,當其他工程師執著於讓機器人從生物神經上模仿人類時,他們嘗試用一種 “非人類” 的方式混合瞭視覺和觸覺輸入。盡管這根 “光指” 目前還不能感受到溫度、粗糙或者柔軟,但是研究人員似乎正在尋找另一個解決方案——聽出粗糙感和柔軟感。

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