機(jī)器人終于能"看到"觸覺(jué)了！新型變色傳感器讓觸摸變成顏色

觸覺(jué)，是機(jī)器人最大的短板
你有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)問(wèn)題：你現(xiàn)在正在用手指滑動(dòng)屏幕，但你的大腦在這一秒鐘里接收了多少信息？
壓力分布、紋理粗糙度、溫度變化、物體硬度……人類的手掌上有超過(guò)?一萬(wàn)個(gè)機(jī)械感受器?，它們協(xié)同工作，讓你能在黑暗中摸出一把鑰匙、用筷子夾起一顆花生米、感受愛(ài)人指尖的溫度。
但對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，觸覺(jué)至今仍是?最大的短板之一?。
不是因?yàn)闄C(jī)器人"摸不到"東西，而是因?yàn)樗搅?，卻"看不懂"。
傳統(tǒng)的觸覺(jué)傳感器，要么是在指尖裝一堆微型壓力傳感器，要么用復(fù)雜的算法去"猜"接觸面的形狀。前者成本高、密度低，后者延遲大、精度差。
高分辨率的系統(tǒng)需要復(fù)雜的計(jì)算來(lái)重建接觸幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)果就是?慢?。而速度快的系統(tǒng)，又往往?犧牲了空間細(xì)節(jié)?。
這是一個(gè)困擾機(jī)器人學(xué)界多年的死結(jié)：?要么看得清但反應(yīng)慢，要么反應(yīng)快但看不清。?
直到倫敦瑪麗女王大學(xué)的工程師們，想出了一個(gè)完全不同的辦法。
不是"測(cè)量"觸覺(jué)，而是讓觸覺(jué)"自己顯現(xiàn)"
這個(gè)辦法的核心思路，簡(jiǎn)單到讓人拍案叫絕：
不要讓傳感器去"讀"力，而是讓力自己"變成顏色"。?

倫敦瑪麗女王大學(xué)工程與材料科學(xué)學(xué)院的博士后研究員?賈科莫·薩索?，提出了這個(gè)創(chuàng)新理念。
他和團(tuán)隊(duì)研制出一種?新型變色觸覺(jué)傳感器?。它的工作原理是這樣的：
當(dāng)壓力施加在柔軟的傳感表面上時(shí)，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生?空間變化的結(jié)構(gòu)色?。
什么是結(jié)構(gòu)色？就是不靠顏料，而是靠物理結(jié)構(gòu)本身對(duì)光的反射和干涉來(lái)產(chǎn)生顏色——和蝴蝶翅膀、孔雀羽毛是同一個(gè)原理。
關(guān)鍵在于：這種顏色的變化，?直接對(duì)應(yīng)著壓力的大小、方向和分布?。
壓力大的地方，顏色變了；壓力小的地方，顏色也變了——但變的方式不一樣。于是，整個(gè)接觸面就像一幅"壓力地圖"，所有信息都寫(xiě)在顏色里。
而讀取這幅地圖的工具，不是什么高端設(shè)備，而是一臺(tái)?普通的USB攝像頭?。
"我們很高興能捕捉到手指的紋路"
這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。
薩索說(shuō)了一段話，讓人印象深刻：
"當(dāng)你手指按下電燈開(kāi)關(guān)時(shí)，所產(chǎn)生的信息量令人難以想象。人類的手掌擁有超過(guò)1萬(wàn)個(gè)機(jī)械感受器來(lái)完成這一任務(wù)，但觸覺(jué)感知仍是機(jī)器人學(xué)中的主要挑戰(zhàn)之一。我們很高興能夠捕捉到手指的紋路，因?yàn)槟壳皼](méi)有任何現(xiàn)有技術(shù)能在同等規(guī)模和簡(jiǎn)易性下重現(xiàn)如此高密度的傳感器。"
他說(shuō)的"捕捉到手指的紋路"，不是比喻。是真的——傳感器表面能清晰地顯示出按壓者的指紋紋路。
這意味著什么？意味著傳感器的?空間分辨率極高?，而且是?實(shí)時(shí)的?。
不需要復(fù)雜的重建算法，不需要等待計(jì)算結(jié)果。攝像頭拍一張照片，壓力分布圖就在那里，一目了然。
薩索解釋了這個(gè)理念的核心：
"本項(xiàng)目的核心理念是突破常規(guī)思維：不再將密集且過(guò)度復(fù)雜的傳感器陣列嵌入材料中，而是將傳感功能直接集成到材料本身，通過(guò)機(jī)械信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為色彩場(chǎng)，并利用簡(jiǎn)單、低成本的USB攝像頭進(jìn)行采集。"
傳感功能不在"傳感器"里，而在"材料"本身里。?
這就是它和所有傳統(tǒng)方案最根本的區(qū)別。
"信息已經(jīng)存在于光信號(hào)之中，你不再需要重建觸覺(jué)"
來(lái)自意大利佛羅倫薩大學(xué)、的里雅斯特大學(xué)和特倫托大學(xué)的共同作者們，對(duì)這項(xiàng)工作給出了高度評(píng)價(jià)。
他們說(shuō)了一句堪稱"金句"的話：
"特別強(qiáng)大之處在于，信息已經(jīng)存在于光信號(hào)之中。你不再需要重建觸覺(jué)，而是直接觀察它。"
這句話的分量，只有做過(guò)機(jī)器人觸覺(jué)研究的人才能真正理解。
過(guò)去，你讓機(jī)器人摸一個(gè)東西，它得到的是一堆電信號(hào)，然后需要算法去"翻譯"成壓力分布圖。這個(gè)翻譯過(guò)程，既慢又容易出錯(cuò)。
現(xiàn)在，機(jī)器人摸一下，攝像頭拍一張照片——?觸覺(jué)信息就在照片里，直接可見(jiàn)。?
不需要翻譯。不需要重建。不需要等待。
從工廠車間到手術(shù)室：三大應(yīng)用場(chǎng)景
這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景，幾乎覆蓋了所有需要精密觸覺(jué)的領(lǐng)域。
場(chǎng)景一：工廠車間——機(jī)器人終于能"手穩(wěn)"了
在精密制造中，機(jī)器人需要組裝微小部件。以前，力的變化很難實(shí)時(shí)感知，稍一用力就可能把零件捏碎。
有了變色傳感器，機(jī)器人夾具能?實(shí)時(shí)看到?自己施加了多大的力、力分布在哪里。任何細(xì)微的力變化，都會(huì)立刻以顏色變化的形式顯現(xiàn)出來(lái)。
這意味著：?更精密的制造，更少的廢品，更高的良品率。?
場(chǎng)景二：假肢——讓 artificial limb 真正"感覺(jué)到"世界
目前的外部假肢，能動(dòng)，但幾乎沒(méi)有觸覺(jué)。戴著假肢的人，拿起一個(gè)雞蛋都要全神貫注，生怕捏碎。
變色傳感器可以讓假肢表面變成一張"觸覺(jué)地圖"。使用者能通過(guò)顏色變化，"看到"自己的假肢正在接觸什么、用了多大的力。
讓失去手臂的人，重新"感覺(jué)到"世界。?
場(chǎng)景三：手術(shù)室——區(qū)分健康組織和腫瘤
這可能是最令人興奮的應(yīng)用。
在手術(shù)中，外科醫(yī)生需要用手去"摸"組織，判斷哪些是健康的、哪些是異常的（比如腫瘤）。經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生能靠手感分辨，但這種能力很難教給機(jī)器人。
變色傳感器可以讓手術(shù)系統(tǒng)?直接讀取材料顏色響應(yīng)中的微小壓力特征?，自動(dòng)區(qū)分健康組織與異常組織。
健康組織和腫瘤組織的硬度不同，施加的壓力反饋也不同。這些差異會(huì)以不同的顏色呈現(xiàn)出來(lái)。
機(jī)器人的手，終于能像老外科醫(yī)生的手一樣"摸"出病變。?
解決了一個(gè)"長(zhǎng)期存在的權(quán)衡問(wèn)題"
這項(xiàng)研究的深層意義，在于它?徹底打破了觸覺(jué)傳感領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的矛盾?。
過(guò)去，你必須在"高分辨率"和"高速度"之間二選一。
想要看得清？那就用復(fù)雜算法慢慢算，但延遲高。
想要反應(yīng)快？那就犧牲細(xì)節(jié)，模糊處理。
現(xiàn)在，這個(gè)矛盾不存在了。
因?yàn)?材料本身就是傳感器，顏色本身就是信息?。攝像頭一拍，全部信息瞬間到位——既高分辨率，又零延遲，還不需要任何復(fù)雜算法。
佛羅倫薩大學(xué)的?費(fèi)德里科·卡爾皮教授?與倫敦瑪麗女王大學(xué)的?詹姆斯·巴斯菲爾德教授?多年合作，融合了軟體機(jī)器人學(xué)與材料科學(xué)的研究。他們?cè)诳衫靷鞲衅骱途酆衔锉碚鞣矫娣e累了深厚基礎(chǔ)，最終在機(jī)械變色材料上找到了這條全新的道路：
不再依賴高度工程化的微電子器件來(lái)解讀形變，而是讓材料本身成為傳感介質(zhì)，直接將機(jī)械相互作用編碼為可見(jiàn)的光學(xué)信號(hào)。?
寫(xiě)在最后
我們總說(shuō)要給機(jī)器人"五感"。視覺(jué)有了，聽(tīng)覺(jué)有了，甚至嗅覺(jué)都在路上了。但觸覺(jué)，一直是最難的那一關(guān)。
因?yàn)橛|覺(jué)不是一個(gè)"信號(hào)"，而是一整片"地圖"——壓力、紋理、溫度、硬度，所有信息同時(shí)涌入，密集到讓算法崩潰。
倫敦瑪麗女王大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，用一種近乎"作弊"的方式解決了這個(gè)問(wèn)題：
不去"讀"觸覺(jué)，而是讓觸覺(jué)自己"畫(huà)"出來(lái)。?
當(dāng)機(jī)器人的指尖按下去的那一刻，顏色亮了。
它終于"看到"了自己摸到的東西。
而這，可能只是機(jī)器人真正理解物理世界的開(kāi)始。