4 月 11 日消息，一直以來，類人型機(jī)器人的研發(fā)，都是朝著復(fù)現(xiàn)人類的行為，繼而輔助人類生活的方向發(fā)展著。近日，來自英國(guó)以及日本的相關(guān)研究人員，對(duì)外釋放了一些全新的技術(shù)，這些技術(shù)能夠讓機(jī)器人擁有“和人類一樣的觸覺”，并且可以令機(jī)器人從事諸如“幫助人類穿衣服、剝香蕉”等這樣更加精細(xì)的操作。

　　▲ “人工指尖”正在觸摸球類玩具

　　在這些技術(shù)中，有利用“人工神經(jīng)元”對(duì)機(jī)器人進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練的成果，也有“人造指尖”這樣新元件加持下的全新突破。這些技術(shù)的真正鋪開應(yīng)用，將會(huì)給工業(yè)制造、醫(yī)療以及勞動(dòng)力短缺等問題帶來新的解決方案。

　　一、3D 打印“人造指尖”，賦予機(jī)器人比肩真人的觸覺

　　接觸是人類感知世界的最直接方式，“觸覺”是人體神經(jīng)系統(tǒng)中的重要組成部分，它在人類之間的情感互動(dòng)中起著重要作用。皮膚和皮膚下覆蓋的神經(jīng)則是將“感覺”傳達(dá)給大腦的橋梁。觸覺幫助人類分辨物體，最后大腦控制雙手，選擇拿捏它們的力道。但是對(duì)于金屬和電路組成的機(jī)器人來說，如何才能在它們身上復(fù)現(xiàn)人類的“觸覺”呢？

　　英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員給出了解決方案 ——TacTip（人造指尖），也稱“光觸覺傳感器”。倫敦大學(xué)研究“觸摸行為”的 Mandayam Srinivasan 稱 TacTip 為：“自然觸摸和人工觸摸的近距離接觸，這是改進(jìn)機(jī)器人‘觸摸方案’的必要步驟。”

　　▲ 裝備了 TacTip 的機(jī)器人成功拿起千紙鶴

　　TacTip 原型機(jī)的誕生最早可以追溯到 2009 年，當(dāng)時(shí)布里斯托大學(xué)的研究人員以人類皮膚為靈感，手工組裝出了第一個(gè)“人造指尖”。但是受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，第一個(gè)“人造指尖”并不像真人手指一般纖細(xì)，它足足有罐裝汽水一般大小。而后隨著 3D 打印技術(shù)的飛速發(fā)展，終于在 2018 年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)依托于 3D 打印技術(shù)，將“人造指尖”的體積壓縮到了成人大腳趾的大小。

　　同時(shí)得益于 3D 打印技術(shù)能夠?yàn)椤叭嗽熘讣狻眲?chuàng)造類似于人類皮膚的多層結(jié)構(gòu)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)近期已經(jīng)將“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”集成到了“人造指尖”中。至此，“完全體”的 TacTip 正式落地。

　　長(zhǎng)期以來，工程師們一直試圖讓機(jī)器人像人一樣靈巧，配備“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”縱然是解決方案之一，但是來自倫敦大學(xué)的觸摸研究員 Mandayam Srinivasan 卻表示：“目前機(jī)器人的觸摸結(jié)果反饋仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人類?！辈贿^ TacTip 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)似乎找出了更為理想的解決方案，那就是“人類觸覺”和“機(jī)器反應(yīng)”的相通點(diǎn) —— 信號(hào)。

　　當(dāng)人類的指尖皮膚與物體接觸時(shí)，遍布皮膚的神經(jīng)末梢通過突觸的變形向大腦傳遞“摸到東西”的指令，之后神經(jīng)會(huì)向大腦發(fā)送“快和慢”兩種信號(hào)，“快速”信號(hào)來幫助我們避免物品掉落，“滯后”的信號(hào)則用來傳達(dá)物體的形狀。相信大家已經(jīng)快要看出個(gè)大概了，觸覺反饋到大腦是以神經(jīng)信號(hào)的方式，指令反饋到機(jī)器人是以數(shù)字信號(hào)的方式，兩者的形式都是“信號(hào)”，如果能精確的用數(shù)字信號(hào)模擬神經(jīng)信號(hào)傳輸給機(jī)器人，那么或許就能讓機(jī)器人擁有比肩真人的觸覺。TacTip 的原理正式如此。

　　首先為了能夠讓信號(hào)模擬的“精確”，研發(fā)團(tuán)隊(duì)為 TacTip 制作了像人類皮膚一樣的“橡膠表層”，在“橡膠表層”之下安裝了一套類似于人類神經(jīng)突觸的針狀凸起陣列，這些凸起陣列模擬了人類皮膚的中間表皮脊。組成這些陣列的“觸角”堅(jiān)韌又富有彈性，當(dāng) TacTip 開始進(jìn)行“觸摸”動(dòng)作時(shí)，接觸到物體表面的陣列會(huì)開始彎曲，通過彎曲的速度來產(chǎn)生人類觸覺中的“快信號(hào)”，避免 TacTip 拿不穩(wěn)物品。

　　▲ TacTip 的工作原理

　　其次，在這套“陣列”的下方，TacTip 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)還為其安裝了一個(gè)攝像頭，用來監(jiān)測(cè)“凸起陣列”的彎曲程度，這些攝像頭記錄下的“彎曲程度”會(huì)轉(zhuǎn)化為人類觸覺中的“慢信號(hào)”，來讓 TacTip 來判斷出它“拿到了什么東西”。

　　這套原理被來自芝加哥大學(xué)，研究觸摸神經(jīng)元基礎(chǔ)的神經(jīng)科學(xué)家 Sliman Bensmaia 所認(rèn)可，他認(rèn)為：人類多數(shù)的觸覺都是源于皮膚力學(xué)，TacTip 的結(jié)構(gòu)和方法恰好符合這一規(guī)律。

　　當(dāng) TacTip 正式完成之后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)中來自布里斯托爾大學(xué)的工程師 Nathan Lepora 及其同事開始對(duì) TacTip 進(jìn)行了首次測(cè)試，觸摸得物品為“燈芯絨狀材料”，因?yàn)檫@種材料的表面紋理錯(cuò)落有致、觸感多變，同時(shí)這次測(cè)試，將會(huì)以真人觸覺的神經(jīng)元信號(hào)為參考樣本來評(píng)判出最后的結(jié)果。

　　令人欣喜的是，TacTip 的測(cè)試首秀結(jié)果非常出色，根據(jù)其研發(fā)團(tuán)隊(duì)在 4 月 5 日于《皇家學(xué)會(huì)雜志: 界面》（Journal of the Royal Society Interface）上發(fā)布的結(jié)果，TacTip 能夠和真人一樣精確地分辨出“燈芯絨狀材料”的凸起變化，以及紋理之間的縫隙，其輸出得神經(jīng)元信號(hào)和真人接觸“燈芯絨狀材料”時(shí)輸出得神經(jīng)元信號(hào)高度匹配。

　　▲ TacTip 反饋觸摸神經(jīng)元信息原理圖

　　不過 TacTip 的不足之處也隨之表現(xiàn)了出來 —— 它并不如真人的指尖皮膚那樣敏感。簡(jiǎn)單來說，人類的指尖皮膚可以感覺到類似鉛筆芯寬窄的縫隙，但是想要被 TacTip“觸摸”到，需要將這種間隙提高兩倍。研發(fā)工程師 Nathan Lepora 認(rèn)為，只要團(tuán)隊(duì)能夠開發(fā)出更薄，集成更多“凸起陣列”的橡膠表層，隨著“凸起陣列”密度地增加，TacTip 的靈敏度將會(huì)進(jìn)一步提高。

　　于是在第二次測(cè)試開始前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)不僅為 TacTip 增添了更多的“凸起陣列”，同時(shí)在之前的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上新增了麥克風(fēng)。麥克風(fēng)的加入是為了用于收集“凸起陣列”在接觸到物體表面時(shí)，由于摩擦而產(chǎn)生的聲音信息，以此來模擬人類深層皮膚中另一組感知“振動(dòng)”的神經(jīng)末梢，這讓 TacTip 擁有了和人類一樣能夠感受物體表面粗糙程度的能力。

　　“增強(qiáng)版”的 TacTip 就這樣迎來了“增強(qiáng)版”的第二次測(cè)試，在這次測(cè)試中，測(cè)試人員加大了難度，他們嘗試讓 TacTip 分辨 13 種不同的紡織面料。當(dāng)然最后的結(jié)果依然沒有令人失望，在攝像頭和麥克風(fēng)的雙重加持下，TacTip 輸出得神經(jīng)元信號(hào)依然比肩真人觸摸時(shí)輸出得神經(jīng)元信號(hào)結(jié)果。

　　TacTip 的表現(xiàn)，令科奇大學(xué)從事可穿戴傳感器工作的機(jī)械工程師 Levent Beker 發(fā)出了“機(jī)械手終于可以感人類手指所感”的贊嘆。此前大力支持 TacTip 原理的 Bensmaia 在看到實(shí)際的測(cè)試結(jié)果后更是對(duì)其贊不絕口，他覺得，迄今為止沒有其他人采取過像 TacTip 一樣有趣的方式來讓機(jī)器人獲得“觸感”，這非?？?。同時(shí) Bensmaia 認(rèn)為，可變形的 TacTip 可以直接套在機(jī)器人的機(jī)械手指或者腳趾上，幫助機(jī)器人檢測(cè)、拾取和操縱物體。

　　針對(duì)這樣的設(shè)想，TacTip 研發(fā)團(tuán)隊(duì)的 Leporar 表示：“確實(shí)，如今的‘機(jī)器手’必須依靠機(jī)械臂和精確的編程才能完成工作，它們很難抓住細(xì)小而堅(jiān)硬的物品，例如牙刷和鋼筆。而 TacTip 可以不依靠編程，就能讓機(jī)器人或者機(jī)械假肢處理各種形狀和大小的物體?！?/p>

　　同時(shí)針對(duì)未來 TacTip 的體積，Leporar 也表示，隨著 3D 打印技術(shù)的推進(jìn)，以及攝像頭和麥克風(fēng)元器件體積的縮小，TacTip 也會(huì)進(jìn)一步變得小巧精致，更加接近“人類指尖”的面積，同時(shí)更小巧的體積能讓 TacTip 檢測(cè)到更加精細(xì)的紋理。

　　面對(duì) Lepora 的自信，Bensmaia 卻持保守意見，他覺得歸根到底，TacTip 模擬出的觸覺神經(jīng)信號(hào)和真人指尖的信號(hào)并不完全相同，因?yàn)檎鎸?shí)皮膚的信號(hào)反饋更強(qiáng)烈?！八皇菬o限接近于真實(shí)的皮膚?！盉ensmaia 認(rèn)為。并且對(duì)于未來 TacTip 能變得“有多小”？他也表示難以預(yù)計(jì)。

　　但不管怎么說，TacTip 的成功是令人欣喜的，可以想象，它不僅能讓機(jī)器人擁有“觸覺”，為它們帶來主動(dòng)感知和分辨周遭物體的能力，同時(shí)還令機(jī)器人擺脫了固定編程指令的束縛，賦予它們主動(dòng)去更改相應(yīng)動(dòng)作（例如抓取事物力度）的能力，讓機(jī)器人本身的動(dòng)作更加“細(xì)膩”。

　　應(yīng)用在機(jī)械假肢領(lǐng)域，TacTip 可以復(fù)現(xiàn)“指尖的觸感”，重新打通大腦和神經(jīng)末梢的信息傳遞通道，令殘疾人重新獲得“完整的”觸摸事物的能力?？的螤柎髮W(xué)的材料科學(xué)家羅伯特?謝潑德表示，從根本上講，TacTip 這項(xiàng)研究有助于學(xué)者們弄清楚“觸摸”在人類神經(jīng)中的工作原理，他認(rèn)為 TacTip 的創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)已經(jīng)基本認(rèn)清了神經(jīng)末梢向大腦反饋“觸感”的原理思路，所以能夠讓裝備了 TacTip 的起重機(jī)“輕輕”地拿起紙飛機(jī)而不破壞它。對(duì)于其他人來說，TacTip 是值得學(xué)習(xí)和了解的存在。

　　二、幫人穿衣，代剝香蕉，動(dòng)作越小越顯細(xì)膩

　　和“人工指尖”一同釋出的還有“機(jī)器人成功輔助醫(yī)療人體模型穿衣”，與“日本機(jī)器人可以剝出完整香蕉”的相關(guān)技術(shù)成果。

　　“機(jī)器人成功輔助醫(yī)療人體模型穿衣”的成果由 Fan Zhang 和 Yiannis Demiris 聯(lián)手發(fā)布在《science》網(wǎng)站上。他們通過在醫(yī)療人體模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成功讓機(jī)器人完成了“從衣架上取下衣服”，到“在病床上找到病人”，最后“展開衣服、抬起人體模型的手臂最終為模型完成穿衣”的一整套自動(dòng)化過程。

　　這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功，意味著那些諸如高位截癱等失去了上肢行動(dòng)能力的患者，可以通過機(jī)器人的幫助來成功地進(jìn)行穿衣操作，對(duì)于患者家屬來說，將大大節(jié)省照顧病人的人力成本。

　　而據(jù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)透露，為了實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人輔助人類穿衣的流程，他們?cè)谘邪l(fā)過程中不得不面對(duì)和解決兩大挑戰(zhàn)。首先，就是要讓機(jī)器人把衣服從“掛”在衣架上的不可穿狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭　毕乱路目芍b狀態(tài)；其次，就是要讓“為病人穿衣服”這一動(dòng)作，從“模擬指令”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C(jī)械動(dòng)作”。

　　針對(duì)第一個(gè)問題，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)選擇了一種合理的“預(yù)抓握”操作方案來解決。他們?cè)谧寵C(jī)器人進(jìn)行“取衣服”的動(dòng)作之前，先讓機(jī)器人“自己”和衣架之間進(jìn)行距離測(cè)量，進(jìn)而讓機(jī)器人提前了解自己和衣架之間的距離，由此來解決“距離不固定”的問題。而針對(duì)第二個(gè)問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人的場(chǎng)景模擬器引入了“服裝物理學(xué)”的相關(guān)算法，通過和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的對(duì)比，形成對(duì)真實(shí)服裝的觀察，測(cè)量其物理的相似性，以此來修正模擬器可能會(huì)產(chǎn)生的誤差。

　　目前采用這項(xiàng)技術(shù)的雙臂機(jī)器人，其穿衣成功率已經(jīng)超過 90%。設(shè)想一下，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)推進(jìn)，雙臂機(jī)器人除了穿衣還能夠進(jìn)行喂飯、蓋被子，遞取東西等操作時(shí)，那么對(duì)于醫(yī)療領(lǐng)域的幫助將會(huì)不可限量。

　　最后再來看看東京大學(xué)的研究人員成功讓雙臂機(jī)器人剝出完整香蕉這件事。想必大家都清楚，人類幅度越小的動(dòng)作，機(jī)器人復(fù)現(xiàn)的難度越高，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的精密程度要求也越高，無論是角度、力道等，都是對(duì)機(jī)械臂編程操作的一大考驗(yàn)。

　　路透社發(fā)布信息稱，東京大學(xué)信息學(xué)院的 ISI 實(shí)驗(yàn)室日前發(fā)布了一則視頻，視頻中所展示的雙臂機(jī)器人可以在大約三分鐘的時(shí)間內(nèi)完整的剝掉一根香蕉的香蕉皮而不傷害果肉。雖然成功率只有 57%，但是對(duì)于機(jī)器人進(jìn)行“精密操作”的研究無疑意義重大。

　　該研發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員 Heecheol Kim、Yoshiyuki Ohmura 和 Yasuo Kuniyoshi 采用了“深度模擬學(xué)習(xí)”的方法去訓(xùn)練機(jī)器人，他們演示了數(shù)百次剝香蕉的動(dòng)作，以生成足夠的數(shù)據(jù)，來讓機(jī)器人進(jìn)行重復(fù)的學(xué)習(xí)，最終經(jīng)過 13 個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練后，機(jī)器人成功完成了“剝香蕉”的動(dòng)作。

　　▲ 雙臂機(jī)器人拿起香蕉并剝皮而不壓扁里面的水果

　　在通過這種方法訓(xùn)練機(jī)器人學(xué)習(xí)更多能力的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)中的 Kuniyoshi 認(rèn)為，他們的這種訓(xùn)練方式能夠有效的讓機(jī)器人去學(xué)習(xí)更多精細(xì)的人類動(dòng)作，例如重復(fù)的流水線工作，并以此來解決日本勞動(dòng)力短缺的問題。

　　可以說，無論是穿衣還是剝香蕉，如今機(jī)器人能夠完成的工作變得更加精細(xì)和復(fù)雜，與之對(duì)應(yīng)的是機(jī)器人在我們生活中的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷增加。從照顧病人輻射到解決整個(gè)醫(yī)療行業(yè)的問題，從代替工人輻射到解決整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)力問題，這些技術(shù)的成功在未來很有可能會(huì)推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)程。成功讓機(jī)器人完成觸摸、穿衣和剝香蕉這些動(dòng)作，也是技術(shù)積累的外在表現(xiàn)。

　　結(jié)語：強(qiáng)化學(xué)習(xí)成關(guān)鍵，“仿人”機(jī)器人技術(shù)迎來新突破

　　從上文中其實(shí)不難看出，反復(fù)的強(qiáng)化訓(xùn)練依然是目前機(jī)器人學(xué)習(xí)的主要途徑，但是像“人造指尖”這種人體仿生學(xué)技術(shù)的加入，又為機(jī)器人的學(xué)習(xí)提供了全新的方式。很顯然，“人造指尖”是目前機(jī)器人行業(yè)內(nèi)獨(dú)樹一幟的存在，但是相對(duì)的，和傳統(tǒng)的“模擬訓(xùn)練”相比，“人造指尖”的機(jī)械結(jié)構(gòu)要更精密，產(chǎn)品本身涉及的技術(shù)也更多更復(fù)雜。

　　機(jī)器人不應(yīng)該只是指令的載體，它更應(yīng)該擁有和人腦比肩的智能，具備學(xué)習(xí)能力，懂得問題分析并可以執(zhí)行精密的操作?！叭嗽熘讣狻?、輔助穿衣和剝香蕉這三項(xiàng)技術(shù)的成功恰好對(duì)應(yīng)了上述的三個(gè)條件，并且從側(cè)面也反應(yīng)了人工智能技術(shù)的推進(jìn)。對(duì)行業(yè)來說，今后機(jī)器人的訓(xùn)練方式，很可能會(huì)從原來“機(jī)械式地模仿”，變成通過傳感器加持下的“主動(dòng)學(xué)習(xí)”，一旦發(fā)生這樣的改變，那機(jī)器人學(xué)習(xí)人類的進(jìn)程將會(huì)大大加快。