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科学家成功研制出了用于机器人的人工皮肤

2019年10月14日 09:44 次阅读

(文章来源:寰宇科学)

能像人类一样动作敏捷,而且具有灵敏感官的机器人,一直活跃在各种科幻作品中。我们也一直梦想着有一天能把科幻照进现实,制造出能代替我们人类工作,解放我们的双手和思想的机器人。然而,梦想很丰满,现实很骨感,由于机器人自身机械机构的限制,用来完成它们的动作的液压和气动系统反应是在是太慢了,现实中的机器人给我们的印象总是像僵尸一样动作僵硬。

但是,来自世界各地的研发人员,并没有停下研发的步伐,他们一直想通过技术革新来让机器人能完成跟人类一般连贯的动作。早在2016年,来自美国哈佛大学的工程师,就利用纳米碳管研发出了一种“人工肌肉”。经过各国科学家的不断改良,这种人工肌肉让机器人的躯体变得跟人类一样柔软,而且可以驱动机器人漂亮地完成许多动作。

然而,人工肌肉还不能让机器人跟接近人类,因为它们还没有像人类一样灵敏的触觉。如果你想让机器人和人类亲密接触,触觉就显得尤为重要。比如,你想跟机器人拥抱,如果它没有触觉,它就没法感知自己的身体,你抱着它,它不知道用多大的力来拥抱你。有可能它的双臂会把你夹扁。

机器人需要触觉,需要像人类一样的皮肤,敏感的皮肤能使机器人感知自己的身体和周围环境。受到人类皮肤的启发,来自德国慕尼黑技术大学的一个研究小组开发了一种将人类皮肤结构与控制算法相结合的系统,并用它来创造了第一个具有全身人工皮肤的自主类人机器人。

科学家成功研制出了用于机器人的人工皮肤

由高登·郑(gordon cheng)讲授和他的研发团队开发的人造皮肤由许多个六角形“细胞”组成,每个“细胞”的大小跟一枚硬币相当。(有点太大了。)每个“细胞”都配备了微处理器和传感器,以检测接触、加速度、接近度和温度。这种人造皮肤使机器人能够更细致、更敏感地感知周围环境。这不仅有助于他们能安全移动。这也使他们在人人类附近活动时对人类更安全,使他们能够预测和积极避免事故。

这些“细胞”本身是大约10年前由东京大学认知系统教授高登·郑(gordon cheng)开发的。但是,这项发明只有在被集成到一个复杂的系统中时才显示出它的全部潜力。

开发机器人皮肤的最大障碍是计算能力。人类皮肤有大约500万个受体,每个受体都能通过神经与人类的大脑进行信号交流。但是机器人身上的计算机目前来说,根本不可能灵活地处理500万个受体的信号,对人造皮肤传感器数据进行连续处理的努力很快就达到了极限。以前的系统很快就被几百个传感器的数据过载了。

为了克服这个问题,高登·郑教授和他的团队使用神经工程的方法,不连续监测皮肤细胞,而是使用基于事件的系统。这将减少高达90%的处理工作量。只有当数值改变时,单个细胞才从传感器传输信息。这类似于人类神经系统的工作方式。例如,当我们第一次戴上帽子时,我们会感觉到它,但我们很快就习惯了这种感觉而不去注意它。这样的机制使我们的神经系统能够集中于需要身体反应的新印象。

通过基于事件的方法,郑教授和他的团队现在已经成功地将人工皮肤应用到一个不依赖任何外部计算的人类大小的自主机器人上。这个最新研发的机器人型号叫H-1。H-1机器人的上身、手臂、腿部甚至脚底都装有1260个“细胞”(超过13000个传感器)。这给它一种新的“身体感觉”。例如,H-1有着灵敏的脚,它能够对不平整的地面做出反应,能做出单脚平衡的动作。

凭借其特殊的皮肤,H-1可以给人一个安全的拥抱。拥抱时,人的身体和机器人的身体在许多不同的地方接触。机器人必须利用这些复杂的信息来计算正确的运动,并施加正确的接触压力,而不至于出力太重,把人夹扁。这样的功能可能在工业机器人或“战斗机器人”中没那么重要,但是在护理领域,这个功能非常重要。

1260个“细胞”相对于人类皮肤的500万个受体来说,实在是太少了。但这已经非常了不起了,因为高登·郑教授和他的团队已经开创了机器人人工皮肤的先河,在未来,他们还会研发出体积更小,计算能力更强的“细胞”,制造出像人类皮肤一样薄一样柔软的人工皮肤。

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