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新一代仿生機器人巴克斯特和它的設計師布魯克斯。
近日,美國一家公司發佈了一項新技術,這項技術或可讓機械具有人類的感知能力。洛杉磯SynTouch公司設計的傳感器能模擬人類的指尖——可以探測力度、震動和溫度。配置這種傳感器的機器人將這些信息組合,就可以從金屬中識別出玻璃。這種反饋的方式使其成爲世界上最靈巧的機械手之一。
與此同時,蒙特利爾的Kinova系統公司也在研發一種可以進行觸覺升級的機械手臂。將這種手臂連接到輪椅上,能夠使上半身殘疾的人進行抓取或者控制,並且給予使用者一種微妙的“觸覺”,但第一步必須調整好機械手的“感覺”,比如說一杯水,機械手需要將其平端並且使用適當的力來握緊而不會打碎玻璃。
當機器擁有了人類的感知,這將會帶來怎樣的未來呢?在電影《機械公敵》中,威爾·史密斯扮演的警探就安裝了一個可以比擬人類真實手臂的機械手,當電影中的機器人將要被銷燬時,它詢問科學家銷燬的過程會不會疼,這些都在科幻世界中展示了,如果機械擁有了人類的感知後所帶來的一系列變革。
讓機器人有“痛覺”,這種在現階段來看還停留在幻想的事情,在未來,會不會成真呢?
讓機械有觸感不是很容易
人類的感知是通過複雜的神經傳導來實現的,由於機械不是生命體,所以讓它們擁有人類的感知是一個巨大的挑戰。當然,在我們普通人看來,讓機械擁有人類的觸覺聽上去也的確相當科幻。究竟這種“逆天”的技術是怎樣實現的呢?記者請天津大學精儀學院生物醫學工程專業博士生導師、天津大學神經工程與康復實驗室主任明東教授爲大家答疑解惑。
首先,明東教授介紹了一些關於感知的概念:“要想了解機械爲何能具有人的觸覺,首先要了解什麼是體感。體感也稱爲軀體感覺,是觸覺、壓覺、溫覺、痛覺和本體感覺(關於肌肉和關節的位置與運動、軀體的姿勢與運動以及面部表情的感覺)的總稱。”從性質上分類,觸覺和壓覺又被統稱爲“觸—壓覺”,是皮膚受到接觸、滑動、壓力等機械刺激時所引起的感覺。觸點和壓點在皮膚表面的分佈密度以及大腦皮層對應的感受區域面積,與該部位對“觸—壓覺”的敏感程度呈正相關。人的“觸—壓覺”感受器在鼻、脣和指尖的分佈密度最高。在前面提到的這些科技成果中,讓機械具有人類的觸覺,主要是通過多源傳感器的陣列,讓機械手模擬人體指尖的功能,對所接觸物體的震動和溫度等多種信息特徵進行感知、融合與決策識別,從而實現對其形狀的判斷。
那麼,這種科技成果是通過怎樣的科技手段使機械具有感知的呢?對這個問題,明東教授解釋道:“這種交互的感知可以通過人工智能的辦法,對上述多種傳感信息進行綜合處理,實現對接觸物體多種物理特徵的提取、融合和識別,從而大致判斷出物體的物理屬性與幾何形狀,進而對接觸物體時所施加的運動和動力模式加以反饋調整。這樣,就可以讓機械分辨出所接觸物體的外觀、溫度、性狀等一系列屬性,並針對這些屬性調整自身的狀態。”
明東教授進一步介紹說,這一技術在本質上可以看作是神經工程研究成果的一種具體應用。神經工程學是新興的交叉學科研究領域。這種交互感知的機械手不僅模擬了人體的“觸—壓覺”、溫覺等感覺神經功能,還能通過人工智能和識別決策的方法對後續控制加以反饋,實際上就是人體感應到外界機械刺激後,從感受器到中樞又到運動控制器的一個完整神經系統功能的初級模擬。
雖然新科技成果的出現讓人振奮,但我們也看到,這種機械感知科技還處在一個初始階段,明東教授在採訪中也指出,這種技術雖然已經取得了一定的成果,但是在未來的發展中還有一系列技術瓶頸需要克服,比如說:機械本身受傳感器種類及特性的限制,使其不能像人的神經那樣敏銳;此外,機械的處理機制同神經系統的信息感知相比還是有着很大的限制;最後,同人類的感知相比,機械缺乏必要的人工視覺等其他感知技術的輔助判斷,因而無法進行更精準的模式分類。
用機械手繫鞋帶、打撲克
雖然這種新技術還處於萌芽階段,但是,它的發展前景還是令學界充滿期待。對於這種技術的未來,明東教授表示:“這種技術的應用,可以實現機械與人體功能的完美融合,可以爲殘障人的神經假肢及其他智能機器人的設計提供幫助。舉例來說,目前大多數的仿生義肢僅僅是一種運動學和形態學的模擬,而這項技術則更逼近人體對自身軀體感知與反饋的真實控制,有望給仿生義肢帶來更多功能學上的改進;再比如在大規模的流水生產線上,具有神經感知功能的機械手更易於對多種產品的屬性進行自動判斷,並做出合理的控制,那將會比傳統機械手更加智能化和專業化。”
據英國《每日郵報》報道,美國一位仿生機械手臂的使用者展示了技術升級後機械手的先進功能——能夠自己繫鞋帶、玩兒撲克牌等。這位使用者是來自美國馬薩諸塞州羅伊斯頓市的奈哲爾·阿克蘭德,他在2012年11月安裝了一個類似“終結者”的機械手臂,近期,設計師開始對他的仿生手臂進行技術升級和改良,使用不鏽鋼和鈦加固了機械手臂,這意味着整個機械手臂變得更結實,升級改良的部分還包括絕緣墊,可有效阻止熱量和靜電傳導。通過這次機械手臂的升級,阿克蘭德現在可以用機械手指靈活地繫鞋帶、玩兒撲克牌。今後,這款機械手臂將很大程度地提高殘障使用者的生活質量。
能夠製造出充分模擬人類手勢和動作的機器人一直以來都是機器人設計師們的夢想,巴克斯特就是以此爲目的被設計出的成功產品。巴克斯特是總部位於美國波士頓的“反思機器人”公司的產品。在這家公司看來,將來的工作間裏,機器人直接和人類協同工作的機率將大大提高。目前,所有的工業機器都被擱置在安全場所,因爲這些工業機器都有着沉重的軀體以及“終結者”般的速度和準確性,如果不想被砸扁,那就最好不要靠近它們。相比之下,巴克斯特要溫柔得多,全身被塑料包裹的它不僅降低了速度,並且安裝有複雜的安全機制和傳感器,以保護它所協助的人類工作者不受傷害。
雖然少了速度和精確性,但巴克斯特卻擁有其他機器人所不具備的過人之處。它的一隻看上去又重又笨的手臂能在操作員的掌握下流暢地運動,彷彿失重一般。這個看似簡單的功能只是巴克斯特不同於其他工業機器人的許多方面中的一個。大多數工業機器人都只有一個手臂,其任務包括擡重物、切削金屬或焊接,而巴克斯特的主要任務是裝揀、分類以及看管其他機器,通常都是些人類乾的活兒。除了巴克斯特,還有許多機器人的設計正朝着與人類安全互動的方向努力。美國加州大學和華盛頓大學的科學家們已建立了幾種有着柔軟手指的機械手的原型,它們能如同人類的手指一般靈活。
巴克斯特的出現標誌着一場製造行業內的機器人革命,同時也很有可能會帶來勞動力市場的波動。下一代機器人將越來越多地近距離協助人類工作,規劃、設計和故障排除等多功能設計將會把人們從繁瑣的工作中解放出來。
本組撰文見習記者李超然