2022年04月13日 10:49
【科學快訊】
人工指尖讓機器人擁有人類手指般的觸感。圖片來源：DOMINIC PALABISKI
機器人可以通過編程舉起一輛車，也可以輔助進行一些手術，但如果要拿起它們之前沒有碰過的東西，往往會失敗。現在，工程師研發了一種人工指尖，使機器人能夠像人類指尖一樣感知物體表面的紋理，處理各種形狀和大小的物體。相關論文發表於《皇家學會界面雜志》。
長期以來，工程師一直試圖讓機器人像人類一樣靈巧。未參加研究的英國倫敦大學學院的Mandayam Srinivasan說，「機器人的觸覺能力通常遠不如人類。研究人員正在把自然觸覺和人工觸覺領域更緊密地結合在一起，這是改善機器人觸覺的必要步驟。」
當英國布裏斯托大學的研究人員在2009年開始設計人工指尖時，是以人類皮膚為指導的。第一個指尖有汽水罐那麼大。到2018年，他們轉向了3D打印，使其尖端及所有部件的大小接近成人的大腳趾，並且更容易創建一系列近似人類皮膚的多層結構。
最近，研究人員將神經網絡融入指尖，這種新研發的人工指尖被稱為TacTip。神經網絡幫助機器人快速處理它感測到的東西，並做出相應的反應——這看起來就像一個真正的手指。
「我們的觸覺很大程度上是由皮膚的力學機制塑造的。」美國芝加哥大學的Sliman Bensmaia說，新研究做的正是直面這個問題。
人類指尖的皮膚接觸物體時，一組神經末梢會變形，並告訴大腦發生了什麼。之後神經發送快速信號幫助人們避免掉一些東西，發送慢速信號傳達物體的形狀。
而TacTip的等效信號來自橡膠表層下的一系列針狀突起，當接觸物體表面時，這些突起會移動。它就像梳子的鬃毛，堅硬但可彎曲。下面還有一個攝像頭，可以檢測針的移動時間和方式。針的彎曲數量提供慢速信號，彎曲速度提供快速信號。神經網絡將這些信號轉化為指尖動作，如握緊或調整指尖角度。
在這項新研究中，布裏斯托大學的工程師Nathan Lepora和同事對人工指尖進行了測試，測試方法與評估人類觸覺的方法相同。當接觸燈芯絨狀材料時，他們報告說，人工指尖不僅能探測到材料的縫隙和突起，而且其輸出的神經信號模式與進行相同測試的人類指尖的神經信號模式非常匹配。
在第二個項目中，Lepora團隊為TacTip添加了更多的針和麥克風，模仿了人類皮膚深處的另一組神經末梢。當手指在表面上移動時，這組神經末梢會感覺到振動，增強了人們感知表面粗糙程度的能力。研究人員成功測試了這種增強指尖區分13種織物的能力。
然而，人工指尖並不像真指尖那麼敏感。Lepora指出，人類可以探測到一個鉛筆芯那麼窄的縫隙，而TacTip在它兩倍寬時才能注意到。但他認為，一旦他們開發出更薄的表層，分辨能力就會提高。
Lepora表示，像TacTip這樣的指尖可以讓機器人和假肢不用編程就能處理各種形狀和大小的物體。他對TacTip的微型化持樂觀態度，因為改進的3D打印技術正在實現更薄的表層，能夠檢測出更精細的紋理，因此也更靈巧。
相關論文信息：https：//doi.org/10.1098/rsif.2021.0822
