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仿生系列5--誰的手更敏感

手是人體最“多才多藝”的器官，我們通過手上的皮膚來感知周圍的世界，那么，機(jī)器人的人造皮膚是否也能夠用來感知周圍環(huán)境呢？

人類從幼兒時代開始就喜歡觸摸各種物體，從可愛的塑料玩具到燙手的電爐，好奇心壓倒一切，因為人類需要通過觸摸去了解不同物體表面的質(zhì)感，以及感知溫度和疼痛，對外界環(huán)境和規(guī)律的感知不是人類與生俱來的，必須通過皮膚的觸摸去學(xué)習(xí)。

在我們的皮膚中大約有500萬個神經(jīng)感受器，也就是所謂的感覺細(xì)胞，它們分布于大約1.5m2~2m2的面積之內(nèi)，它們讓我們能夠感知外部世界，包括輕微觸碰、疼痛、寒冷以及溫暖等。仿生機(jī)器人希望模擬人類當(dāng)然需要類似的感覺器官，為此，科學(xué)家正試圖為機(jī)器人設(shè)計人造皮膚，并且目前已經(jīng)取得了一些成效，已有的人造皮膚不僅比人類皮膚反應(yīng)更快，而且還能夠具有一些特殊的功能。

 
更智能的觸覺：機(jī)器人需要更復(fù)雜的傳感器

觸覺對于人形機(jī)器人來說非常重要，因為它們最終將被用于負(fù)責(zé)完成一些人類的工作，例如在家中或者醫(yī)院照顧老年人。此時，它們需要有準(zhǔn)確的觸覺，才不至于在拿起一個玻璃杯時將杯子捏破。如果不細(xì)想的話，或許我們會認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)該很容易做到不犯這樣的錯誤，表面上看機(jī)器人利用頭上的光線傳感器和手指上的壓力傳感器應(yīng)該能夠處理好這兩項工作，光傳感器掃描房間并且鑒定物體，壓力傳感器根據(jù)掃描的結(jié)果判斷用多大的力量抓起杯子即可。這與人類在普通情況下拿起一個杯子時所做的事情一樣，人們首先通過眼睛觀察杯子，大腦迅速地判斷物體的材料、重量，并控制身體以適當(dāng)?shù)牧饽闷鹚２贿^，根據(jù)慕尼黑技術(shù)大學(xué)工程師Philipp Mittendorfer的介紹，人和機(jī)器人之間有一個很大的區(qū)別，那就是當(dāng)玻璃杯被另外一件物體遮蓋時，例如一塊布蓋住了玻璃杯，人仍然能夠正常地拿起它。而機(jī)器人如果僅憑上面介紹的光線傳感器和壓力傳感器，則無法完成這一項任務(wù)，因為它無法通過光線傳感器識別這是一件什么物體，當(dāng)然也就無法控制壓力傳感器以正確的力量抓取它。而人生下來就開始學(xué)習(xí)通過觸覺去感知物體，人們能夠通過經(jīng)驗判斷布下面蓋住的是什么。而機(jī)器人如果要模仿人類的這一操作，則需要讓機(jī)器人和人類一樣擁有能夠感覺物體材質(zhì)、溫度的器官，按照目前的仿生機(jī)器人技術(shù)水平，這將需要很多種傳感器才能實(shí)現(xiàn)。

科學(xué)家目前正努力地研究這些傳感器，根據(jù)Philipp Mittendorfer的介紹，目前工程師已經(jīng)可以使用32位處理器PIC32來驅(qū)動一個5cm2大的模塊來模仿皮膚，這種模仿人體皮膚觸摸功能的模塊由多種傳感器組成，其中包括溫度傳感器和感知震動的加速度傳感器以及紅外線距離感應(yīng)器。每一個模塊都需要經(jīng)過獨(dú)立的編程和校準(zhǔn)，才能夠適應(yīng)機(jī)器人的系統(tǒng)。在數(shù)量比較少的情況下，這種模塊能夠工作得很好。但是由于每一個模塊都需要編程和手動調(diào)整，而蓋住機(jī)器人整個身體的人造皮膚將起碼需要幾百到數(shù)千個模塊，毫無疑問，這將是一個浩大的工程。此外，作為人造皮膚的一部分，所有的模塊還需要鏈接成一個整體，需要調(diào)整這些模塊實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，這無疑將更加復(fù)雜。
 

 
自我意識：該在哪里停下來

將獨(dú)立的模塊組成一張人造皮膚，必須將所有的模塊鏈接起來，建立彼此間的聯(lián)系。在此情況下，模塊將不直接向機(jī)器人的計算系統(tǒng)發(fā)送信息，而是通過鄰近的模塊發(fā)送。每一個模塊需要有自己的身份編碼，讓系統(tǒng)能夠了解數(shù)據(jù)的來源。當(dāng)某個模塊出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)還可以切換至故障模塊鄰近的模塊，繼續(xù)采集需要的數(shù)據(jù)。與人類相比，機(jī)器人計算系統(tǒng)能夠以更快的速度響應(yīng)來自模塊的信號，人類神經(jīng)系統(tǒng)信號傳輸和響應(yīng)的時間大概需要200ms~300ms，而機(jī)器人系統(tǒng)與模塊之間的信號傳輸只需要2ms~3ms。不同的是人類具有超前意識，而并不是像機(jī)器人一樣，所有的行動都必須在傳感器獲取信號后再通過系統(tǒng)檢索編程模型的相關(guān)指令才能繼續(xù)運(yùn)作。

將模塊鏈接成真正的人造皮膚之后，其作用絕不僅僅是感知環(huán)境。通過人造皮膚，機(jī)器人能夠?qū)⒁庾R傳達(dá)到全身，并結(jié)合模塊采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣機(jī)器人將能夠?qū)W習(xí)認(rèn)識自己。這將是邁向智能機(jī)器人的重要一步，因為只有這樣機(jī)器人才能夠清楚自己應(yīng)該如何行動。迄今為止，仿生機(jī)器人進(jìn)入到醫(yī)院照顧病人的一大障礙是無法很好地解決碰撞問題，因為在沒有人造皮膚的情況下，機(jī)器人無法知道在當(dāng)前的環(huán)境下機(jī)器臂不能再提高了，甚至它的腿斷了，也仍然會繼續(xù)按照以往的方式運(yùn)動。而這一切在有了人造皮膚后將完全改變，按照Philipp Mittendorfer的說法，人類在幼兒時期同樣需要通過不斷的學(xué)習(xí)，自我認(rèn)識、自我體驗和自我控制，學(xué)會走路并學(xué)會在什么地方應(yīng)該停下來。而機(jī)器人在有了皮膚之后，也能夠做到，也可以通過皮膚感知周圍的環(huán)境，并可以感覺到自己身體各部分目前的狀況。不過，前提條件是人造皮膚的觸覺模塊必須能夠覆蓋機(jī)器人的全身，以目前的仿生機(jī)器人技術(shù)來說，這將需要一些時間，首先必須將模塊設(shè)計得足夠小且靈活，而目前，研究人員在機(jī)器人身上最多也只能安裝31個模塊來進(jìn)行測試。

總的來說，人造皮膚是仿生機(jī)器人研究的重要一步，未來，機(jī)器人將通過人造皮膚感知溫度的變化，實(shí)現(xiàn)觸摸功能并避免碰撞，能夠與人和各種交互對象更好地互動。不過，要造出像人類皮膚一樣的人造皮膚并不容易，下一步的工作，將是設(shè)計可以彎曲和附在機(jī)器人身體上的模塊，以適應(yīng)更小的傳感器和更細(xì)致的邏輯程序。不過，擁有觸感的機(jī)器人已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)了，或許，很快將能夠讓它們來為我們做飯。