天津理工大学的Gordon Cheng实验室正在开发人造皮肤,为机器人提供触觉反馈。
以机器人的形式再现人类不是一件小事。制造人脑?研究人员已经 开始模拟突触和神经元 在软件和硬件方面。能像人一样移动的机器人?研究人员已经在为两足机器人制造人工肌肉、关节和肌腱。
但是在建造一个真正的仿人机器人时,最大的挑战之一可能是皮肤。
首先,是大小的问题:1.5米到2米见方的皮肤是人体最大的器官。然后就是它所做的一切。除了让我们的内部和外部世界保持在外,皮肤还做了很多惊人的、复杂的事情。它有不同的感受器来检测不同的感觉:压力、质感、振动、冷和热,再加上即使是最轻微的接触也能感受到不同的感觉,整个身体。
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对于任何想要创造一种机器人皮肤的人来说,这种皮肤能够像人类皮肤一样感受到相同数量的感觉,像生物皮肤一样适应,并能每秒从数百万个传感器收集和处理信息,要克服的主要障碍之一是能量。
皮肤组织含有数百万个收集信息的受体。一个拥有类似密度传感器的机器人,每秒对这些信息进行数百或数千次的采样,将耗费大量的能量和处理能力。
因此,慕尼黑工业大学(TUM)认知系统教授Gordon Cheng在将一只机械臂覆盖在电子皮肤上并使用传统计算方法处理数据之后,他相信人体使用的系统将是一个更有用的模型。
“当我们使用传统的智慧和力量来理解数据时,它在一定程度上起了作用。但当我们试图扩大规模时,我们需要越来越多的电脑。他说,整个生物系统最聪明的一点是,在某些东西发生变化并且是必要的之前,它不会向大脑发送信息,这是因为皮肤被设计成只在大脑需要时传递大脑需要的信息。当你今天早上穿上袜子时,你的皮肤告诉你的大脑当它们覆盖你的脚。但是你的皮肤知道你的大脑不需要一直被告知你一整天都在穿袜子。因此,当袜子穿上时,皮肤感受器会向上拨信号,然后向下拨,直到一天结束时信号又消失。
程的实验室已经创造出了带有运动、压力和其他感觉传感器的皮肤“细胞”,只有在发生变化时才会传递信息。基于事件的系统降低了90%的功耗,使得它们的广泛应用更加可行。
TUM的实验室已经用这些细胞覆盖了一种称为H-1的人类大小的机器人,它可以利用细胞的反馈来帮助调整自己的动作:手臂上的细胞可以让它确定合适的压力来拥抱,而脚底上的细胞可以帮助它适应在不同地形上行走。
在新加坡国立大学(NUS),研究人员还希望通过使用生物启发的计算技术,减少机器人系统对皮肤的消耗:NUS的电子皮肤应用 受人脑处理信息方式启发的神经形态芯片,要保持系统的电源需要关闭。
请参阅:,使用英特尔的Loihi神经形态芯片,也是事件驱动的。它是以通过人类神经纤维的活动“尖峰”为模型的,只有在感觉发生变化时,它才会传递信息。这不仅压缩了数据量,而且所需的能量也减少了100倍。
虽然人类的皮肤和神经系统可能是电子等效物的模型,但生物模型仅此而已。我们的皮肤、大脑和神经都得不到更新:在我们的一生中,我们被困在几乎相同的处理能力和传感器能力中。然而,软件和硬件的进步最终将意味着机器人皮肤的能力将超过人类皮肤。新南威尔士大学的皮肤感官接触速度已经是人类同类产品的1000多倍,而电子皮肤的能力只会随着时间的推移变得更加先进。
“我们已经证明,通过使用我们的技术,我们不仅能够提供触觉,而且能够提供超人的触觉,”美国国立大学材料科学与工程系外展与创新副主任Benjamin CK Tee说,说明。
本杰明·克特(最左边)和他的团队开发了一种电子皮肤,能够响应1,比人类皮肤快1000倍。
就像人类皮肤一样,机器人皮肤也需要感受到疼痛,作为一个早期预警系统,在机器人面临损坏风险时发出警报。
皇家墨尔本理工大学(RMIT University)发明了一种能感觉到疼痛的机器人皮肤原型,逼真地再现了皮肤一直检测热或冷等感觉的方式,但疼痛只有在某些阈值被突破时才会被记录下来:例如,当热变得足够热而损坏皮肤时。
电子皮肤的敏感性可以调整,以重现其他皮肤状况,如晒伤。而在机器人皮肤上重现这些情况,可以帮助研究生物版本的研究人员更多地了解它们,以及如何治疗它们。
这不是完全实现电子皮肤帮助人类的唯一方法。如今的假肢可能看起来甚至可以像人类关节一样移动,但它们的感知能力并不相同。”假肢可以显著提高人们的生活质量,但它仍然离人类的肢体不太近。它没有感知的能力。想象一下,把这个电子皮肤伸展到你的假肢上,它可以让你的假肢更接近真实的肢体体验,”Madhu Bhaskaran说,RMIT大学功能材料和微系统研究小组的共同负责人和教授。
来自皮肤的感觉信号已经通过电信号传输到人脑,因此从理论上讲,将假肢中的电子设备与神经系统连接起来不需要太多额外的工程知识。
然而,它需要额外的材料科学知识。任何与人体组织相连的电子皮肤都需要具有生物相容性(也就是说,人体不会试图拒绝它),并且能够承受人体的恶劣环境(人体组织的咸湿环境通常不是电子产品的欢迎场所)。
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它还需要承受人类的所有拉伸和弯曲四肢通过,没有开裂或翘曲,并持续很长时间。
人类皮肤也有令人印象深刻的自我愈合能力:一个小伤口可以在几天内消失,而对于更大的伤口,它可以创造一种全新的材料来覆盖缝隙,形成疤痕。
研究人员已经在研究与人类皮肤具有类似自愈特性的材料。比如卡内基梅隆大学的工程师, 创造了一类柔软、可拉伸的聚合物 例如,含有液态合金,如果被刺穿,它可以自我愈合。其他人有 建议也可以使用石墨烯 创造自我修复的机器人皮肤。与此同时,新加坡国立大学的研究人员发现了一种泡沫材料,其中嵌入了类似神经的电极,如果受损,这种材料可以自我修复。
而许多工程和材料的挑战——从寿命到生物相容性,甚至美学——还有待解决,电子皮肤对机器人和人类的好处是显而易见的。
“皮肤给我们一个完整的世界感觉。不仅如此,它还为我们提供了与他人互动的环境,例如握手或击掌我认为我们正在开发的技术将使机器人和人类能够更有效地协作,社会影响也会非常积极。”