一種具備高敏感度且成本低、結(jié)實(shí)耐用的機(jī)器人“皮膚”，可以像戴手套一樣添加給機(jī)器人 （圖片來(lái)源：劍橋大學(xué)）

小時(shí)候打針，你有沒(méi)有抱怨過(guò)：“太疼了！我要是像機(jī)器人一樣沒(méi)有痛覺就太好啦？”然而事實(shí)上，能感覺到疼痛，不管是對(duì)于動(dòng)物還是機(jī)器人都至關(guān)重要。這一點(diǎn)在許多涉及機(jī)器人的科幻影視作品中也都有強(qiáng)調(diào)！

即便是戰(zhàn)斗型機(jī)器人也需要接收“痛覺”反饋 （圖片來(lái)源：電影《終結(jié)者2》劇照）

為了對(duì)環(huán)境、壓力以及自身?yè)p壞狀況進(jìn)行感應(yīng)，當(dāng)前的機(jī)器人大都需要安裝一系列復(fù)雜、脆弱的傳感器系統(tǒng)，然而，不同傳感器的信號(hào)間容易相互干擾，其柔性載體材料也相對(duì)脆弱……

不過(guò)最近，一篇發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志旗下的頂級(jí)機(jī)器人學(xué)子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）上的研究，向我們展示了一種革命性的新思路。

英國(guó)劍橋大學(xué)的科學(xué)家利用一種類似果凍的廉價(jià)凝膠材料，模擬皮膚的觸感能力，創(chuàng)造出一種知冷熱，會(huì)疼痛的“人造皮膚”。之后，為了驗(yàn)證它的性能并收集必要參數(shù)，科學(xué)家們對(duì)其進(jìn)行了一場(chǎng)涉及燒灼與切割的“殘酷”測(cè)試……

在被暴力拆解前，機(jī)器人請(qǐng)同伴幫忙關(guān)閉痛覺接收器 （圖片來(lái)源：電影《人工智能》劇照）

走仿生路線，不再堆砌傳感器

若要讓機(jī)器人真正走入我們的生活，在保潔、育兒、搶險(xiǎn)甚至醫(yī)治病患等領(lǐng)域發(fā)揮作用，防止機(jī)器人在作業(yè)中傷到人類、自己或其他財(cái)物，保障工作可以順利進(jìn)行，我們就必須給予機(jī)器人感知冷熱、壓力以及自身受損情況（疼痛）的能力。

過(guò)往的解決方案是根據(jù)需要，為機(jī)器人安裝一系列傳感器，如壓敏電阻、熱敏電阻或壓電材料等。這些材料可以將溫度或壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，但普遍存在精度和耐用性等方面的問(wèn)題，并且多傳感器的設(shè)計(jì)讓整個(gè)系統(tǒng)變得復(fù)雜而難以維護(hù)，各傳感器之間的信號(hào)還會(huì)相互干擾，傳感器所嵌入的載體材料，如軟硅膠、橡膠等也都相對(duì)脆弱，容易損壞。

為此，科學(xué)家換了一種思路，“化繁為簡(jiǎn)”，設(shè)計(jì)并制造了一種“多模態(tài)”（multi-modal）傳感器，它僅使用單一傳感器就能檢測(cè)包括溫度、壓力以及受損情況在內(nèi)的多種“刺激”。

“握手”之后，就要對(duì)這只“人造手”進(jìn)行“殘酷”的實(shí)驗(yàn)了 （圖片來(lái)源：劍橋大學(xué)）

更易走向?qū)嵱玫娜嗽烊?，廉價(jià)且堅(jiān)固！

為了滿足既定的要求，研究人員看上了一種天然蛋白質(zhì)材料，明膠。它提取自動(dòng)物組織，被廣泛用于制作果凍、膠囊，甚至是工藝品。以其為基礎(chǔ)制作而成的導(dǎo)電材料，價(jià)格低廉，易生產(chǎn)，堅(jiān)固耐用，可塑性也強(qiáng)！

根據(jù)具體需要，科學(xué)家可以將這種“明膠基”材料制成不同的形狀。在為其裝配上一種特殊的電極后，它可以通過(guò)數(shù)十萬(wàn)條連接通路，將受到的各種壓力刺激都反饋為對(duì)應(yīng)的“感覺”。其工作模式類似于人類的觸覺！

暴力實(shí)驗(yàn)，加速機(jī)器人“成長(zhǎng)”

為了測(cè)試這種新材料好不好用，科學(xué)家們用它做了一個(gè)柔軟、有彈性又能導(dǎo)電的“人造手”。之后，他們?yōu)槠溲b配了多種電極配置，并對(duì)其進(jìn)行了一系列帶有破壞性質(zhì)的測(cè)試，以尋找最優(yōu)的配置方案！具體的“折磨”包括，使用熱風(fēng)槍猛吹，用手指甚至機(jī)械臂猛戳，以及用手術(shù)刀切割……

最終，傷痕累累的“人造手”通過(guò)內(nèi)嵌的超過(guò)86萬(wàn)條導(dǎo)電通路為科學(xué)家們收集到170多萬(wàn)條數(shù)據(jù)，其密集程度令人驚嘆！

研究人員表示，將來(lái)可以在機(jī)器人本體加載相應(yīng)的智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)，再將收集到的數(shù)據(jù)“喂”給它。訓(xùn)練完畢后，機(jī)器人就可以像人類一樣，通過(guò)“人造肉”受到的刺激來(lái)識(shí)別對(duì)應(yīng)的觸感和損傷了！比如去“感受”自己是有些靠近熱源，還是已經(jīng)被燙傷；自己是被輕輕推了一下，還是被什么鋒利的東西切入了“皮膚”。

讓機(jī)器人精準(zhǔn)識(shí)別自己是被碰了一下手，還是已經(jīng)被烤糊，并不是一件容易的事 （圖片來(lái)源：劍橋大學(xué)）

對(duì)于自己的研究成果，研究人員自信滿滿。他們表示，雖然該項(xiàng)目所制造的“人造肉”還沒(méi)有達(dá)到人類皮膚的細(xì)膩感知水平，但它的運(yùn)作方式靈活，易于制造，在許多任務(wù)領(lǐng)域都可以用人類觸覺的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此比當(dāng)前所有其他的同類方案都要出色！

解剖曾風(fēng)靡全球的觸覺反饋式玩具“搔癢娃娃埃爾莫（Tickle Me Elmo）” （圖片來(lái)源：維基媒體）

如果該研究的成果能夠投入應(yīng)用，未來(lái)機(jī)器人在開展各領(lǐng)域的工作時(shí)必定會(huì)更加精確、高效，并且由于終于能與人類“感同身受”了，他們與人類間的協(xié)作也應(yīng)當(dāng)會(huì)更加和諧、融洽。

當(dāng)一個(gè)個(gè)不知冷暖、軟硬的“鐵疙瘩”終于獲得細(xì)膩的觸覺，甚至可以感受我們的觸碰與體溫，人類距離讓機(jī)器人真正地理解并安全融入我們的生活似乎又近了一大步。

只是在機(jī)器人越來(lái)越像我們的同時(shí)，我們距離被機(jī)器人威脅和取代的危機(jī)是不是也又迫近了一步呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法。

作者：宋世超

審核：陳世超 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 副研究員

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