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機(jī)器人可以通過(guò)編程舉起一輛車，也可以輔助進(jìn)行一些手術(shù)，但如果要拿起它們之前沒(méi)有碰過(guò)的東西，往往會(huì)失敗?，F(xiàn)在，工程師研發(fā)了一種人工指尖，使機(jī)器人能夠像人類指尖一樣感知物體表面的紋理，處理各種形狀和大小的物體。相關(guān)論文發(fā)表于《皇家學(xué)會(huì)界面雜志》。

長(zhǎng)期以來(lái)，工程師一直試圖讓機(jī)器人像人類一樣靈巧。未參加研究的英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的Mandayam Srinivasan說(shuō)，“機(jī)器人的觸覺(jué)能力通常遠(yuǎn)不如人類。研究人員正在把自然觸覺(jué)和人工觸覺(jué)領(lǐng)域更緊密地結(jié)合在一起，這是改善機(jī)器人觸覺(jué)的必要步驟。”

當(dāng)英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員在2009年開(kāi)始設(shè)計(jì)人工指尖時(shí)，是以人類皮膚為指導(dǎo)的。第一個(gè)指尖有汽水罐那么大。到2018年，他們轉(zhuǎn)向了3D打印，使其尖端及所有部件的大小接近成人的大腳趾，并且更容易創(chuàng)建一系列近似人類皮膚的多層結(jié)構(gòu)。

最近，研究人員將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融入指尖，這種新研發(fā)的人工指尖被稱為TacTip。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幫助機(jī)器人快速處理它感測(cè)到的東西，并做出相應(yīng)的反應(yīng)——這看起來(lái)就像一個(gè)真正的手指。

“我們的觸覺(jué)很大程度上是由皮膚的力學(xué)機(jī)制塑造的。”美國(guó)芝加哥大學(xué)的Sliman Bensmaia說(shuō)，新研究做的正是直面這個(gè)問(wèn)題。

人類指尖的皮膚接觸物體時(shí)，一組神經(jīng)末梢會(huì)變形，并告訴大腦發(fā)生了什么。之后神經(jīng)發(fā)送快速信號(hào)幫助人們避免掉一些東西，發(fā)送慢速信號(hào)傳達(dá)物體的形狀。

而TacTip的等效信號(hào)來(lái)自橡膠表層下的一系列針狀突起，當(dāng)接觸物體表面時(shí)，這些突起會(huì)移動(dòng)。它就像梳子的鬃毛，堅(jiān)硬但可彎曲。下面還有一個(gè)攝像頭，可以檢測(cè)針的移動(dòng)時(shí)間和方式。針的彎曲數(shù)量提供慢速信號(hào)，彎曲速度提供快速信號(hào)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為指尖動(dòng)作，如握緊或調(diào)整指尖角度。

在這項(xiàng)新研究中，布里斯托大學(xué)的工程師Nathan Lepora和同事對(duì)人工指尖進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方法與評(píng)估人類觸覺(jué)的方法相同。當(dāng)接觸燈芯絨狀材料時(shí)，他們報(bào)告說(shuō)，人工指尖不僅能探測(cè)到材料的縫隙和突起，而且其輸出的神經(jīng)信號(hào)模式與進(jìn)行相同測(cè)試的人類指尖的神經(jīng)信號(hào)模式非常匹配。

在第二個(gè)項(xiàng)目中，Lepora團(tuán)隊(duì)為TacTip添加了更多的針和麥克風(fēng)，模仿了人類皮膚深處的另一組神經(jīng)末梢。當(dāng)手指在表面上移動(dòng)時(shí)，這組神經(jīng)末梢會(huì)感覺(jué)到振動(dòng)，增強(qiáng)了人們感知表面粗糙程度的能力。研究人員成功測(cè)試了這種增強(qiáng)指尖區(qū)分13種織物的能力。

然而，人工指尖并不像真指尖那么敏感。Lepora指出，人類可以探測(cè)到一個(gè)鉛筆芯那么窄的縫隙，而TacTip在它兩倍寬時(shí)才能注意到。但他認(rèn)為，一旦他們開(kāi)發(fā)出更薄的表層，分辨能力就會(huì)提高。

Lepora表示，像TacTip這樣的指尖可以讓機(jī)器人和假肢不用編程就能處理各種形狀和大小的物體。他對(duì)TacTip的微型化持樂(lè)觀態(tài)度，因?yàn)楦倪M(jìn)的3D打印技術(shù)正在實(shí)現(xiàn)更薄的表層，能夠檢測(cè)出更精細(xì)的紋理，因此也更靈巧。(作者：王方)