婴儿1周岁就可以抓阄了,但让一个机器人学会抓握,却是上百篇顶刊论文都讲不清楚的事。
科学家告诉我们,比起下棋像人、说话像人、走路像人,让机器人拿起一只气球或端起一只玻璃杯,是更难办的事。“10年前,我们圈里有句话:‘不要跟机器人握手’。”北京理工大学柔性电子器件与智造研究所所长沈国震说。
为什么这么说?不知如何握手的机器人,与这个世界打交道的方式,究竟缺了什么?
“过去机器人没有触觉,无法控制力道,与人握手不懂得什么时候松开手,一不小心可能会把人手部的骨头捏碎。”沈国震的解答道出机器人研究的一大症结——机器人身上少了一样人类器官,而且是最大的那个:皮肤。
没有皮肤,机器人就难以拥有发达的触觉,电影史上经典的机器人形象之一“剪刀手爱德华”,一不小心就发力伤人的场景,今日机器人实验室里仍不鲜见。
也正因此,我们已经津津乐道机器人写作文、下象棋,但还听不到机器人娴熟完成家务活的消息。
触觉,其实是多种感知信息的“合体”:接触的位置、接触力的大小和方向,接触物(甚至未接触物)的温度,纹理、硬度……我们的皮肤可以极其精妙地捕捉这些信息的蛛丝马迹并传递给大脑,我们许多习焉不察的反应与动作于是启动。
可以说,皮肤不只是身体表面一层将近2平方米的附着物,更是人与周遭世界的沟通纽带、互动方式。
那么,给机器人加一身皮肤怎么样?机器人可以由此像人一样感知环境、适应环境吗?
科幻电影《阿丽塔》的主角机器人阿丽塔虽然纤瘦,却是一名“六边形战士”。她的战斗力源自一身“黑科技”,其中就包括触觉比人类还灵敏的电子皮肤。
对,电子皮肤。让机器人全面感知自己的身体和周边环境,电子皮肤已经成为今日机器人学重要的研究领域。
机器人借助电子皮肤拥有触觉后,就能更充分、精准地读取环境中的压力信号,行动也就更为灵活有效。一般而言,现在的机器人缺乏对物体精确的力量反馈,难以精准抓握和操纵微小或柔软的物体。而电子皮肤则可赋予未来的机器人一双“巧手”,实施高精准度的手术可能都不在话下。
沈国震介绍,人的皮肤由表皮、真皮、皮下组织构成,电子皮肤也是类似的“三明治”结构,由电极材料、活性材料、柔性衬底组成。电极材料作为电连接层,位于活性材料的两侧,接收和传输电信号;活性材料的功能是将环境刺激转换为可检测的电信号;柔性衬底则负责支撑电子皮肤并将其与机器人躯体贴合在一起。
开发一款电子皮肤,哪些问题必须解决?首当其冲是材料“柔”的问题。电子皮肤的关键在一个“柔”字。能作为皮肤的材料必须是柔性、可拉伸的,而不是刚硬、易脆裂的。“绕指柔”何以可能?
科学界现在有三种探索方向。第一种着眼于物理柔性,努力开发尺度更小的材料。比方说,柔软又有高度生物相容性的纳米硅就可以作为生化传感器,一定程度实现皮肤功能。第二种则寄望于结构柔性。努力开发金属等物质的各种新奇力学结构,弹簧、螺旋、蛇形……将传统硬质材料改造为具备良好的拉伸、弯曲能力的新材料。还有的科学家试图突破本征柔性,通过高分子工程改变聚合物材料性质,使其具备高拉伸特性,甚至兼具自我修复功能。
开发电子皮肤,还得在感知功能上下功夫。传感是机器感知环境的基础,感知压力、温度,判断触摸的不同物体,分辨手里拿的究竟是一颗桃子还是一颗鸡蛋,无不需要传感器。触觉传感器要尽可能充分地获得相接触物体表面种种特性,对传感灵敏度要求尤高。
沈国震团队研发的柔性可延展多功能电子皮肤,可用于人体生理信号的实时监测
此外,传感器捕捉到的信号如何高效传输,也是问题。关键就在于,如何让信号在传输到机器人“大脑”的过程中尽量少有耗损?
实际上,电子皮肤不止是机器人的下一代装备,我们人类自己也“值得拥有”。
虚拟现实技术方兴未艾的今天,电子皮肤可能是人类漫游元宇宙的重要助力。在虚拟世界中,电子皮肤能最大限度地还原触觉,不仅使人能近乎真实地“摸”到虚拟物体,甚至能还原清风、水流、火焰带给人们的感觉,极大提升沉浸感和真实感。
此外,对于烧伤烫伤患者、截肢患者来说,电子皮肤可使他们重获触觉,继续享受美好生活。
对于身心健全的普通人而言,电子皮肤能帮什么忙?“它可以起到一种人体健康监测设备的作用。电子皮肤与人体直接接触,能够藉由高精度传感器直接测量我们身体数据(比方说心率、体温、血糖、血压)的实时情况,相当于精密程度跃升的‘健康手环’。”沈国震说,目前这类技术已经成熟,产品也将逐步进入市场。
其实,科学家还有更大胆的想法——能不能将智能手机的功能融入电子皮肤?如果电子皮肤的传感器足够敏锐、电路畅通且性能稳定,通过“点击”电子皮肤的不同位置来收发消息、接拨电话,是不是也顺理成章?
也许到那时,我们真的就可以丢下手机,轻装出门了。