機(jī)器人用上AI后，擁有了堪比人類皮膚的觸覺：輕松引線穿針、夾取雞蛋丨Science子刊
城大&港大出品
蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI
你見過能靈活?yuàn)A取雞蛋、可取可放的機(jī)器人嗎？
不僅如此，甚至還能穿針引線：
就算是往它拿著的瓶子里倒水，也不會(huì)掉：
這是來自香港城市大學(xué)、香港大學(xué)、CMU和南方科技大學(xué)的科學(xué)家，聯(lián)手打造出的一款機(jī)器人觸覺皮膚，效果堪比人類皮膚——
不僅可以精準(zhǔn)感知到力度方向和大小，還能準(zhǔn)確定位外界刺激的位置。
目前，這一研究成果已登上Science子刊《Science Robotics》。
這樣神奇的觸覺皮膚，究竟是怎么做出來的？
將AI與磁性薄膜結(jié)合
首先，這種磁性皮膚，用到了一種基于磁性薄膜的觸覺傳感器，來感知力的大小與方向。
這種觸覺傳感器的核心，由一層經(jīng)過單面多級(jí)正弦磁化的磁膜、以及嵌在印刷電路板上的霍爾傳感器構(gòu)成。
經(jīng)單面多級(jí)正弦磁化后的磁體，又被稱作Halbach陣列，它的特點(diǎn)是在削弱一側(cè)磁場的同時(shí)，能極大地增強(qiáng)另一側(cè)磁場。
論文一作閆友璨發(fā)現(xiàn)，這種陣列還有一種特殊性質(zhì)，使得磁膜能互不干擾地測量正壓力和切向力，使得受力反饋更精確。
這種技術(shù)，多被用于磁懸浮列車、粒子加速器、電磁炮等領(lǐng)域（冰箱貼也是類似的原理）。
當(dāng)外力施加在磁膜上時(shí)，霍爾傳感器將測量到由磁膜變形所引起的磁場變化，進(jìn)而測量出施加外力的大小和方向。
當(dāng)然，磁膜和霍爾傳感器之間，可以填充不同厚度和彈性的硅膠，來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度和量程。
這就完了？
當(dāng)然不，這種磁性皮膚，還用到了深度學(xué)習(xí)的算法，來更加準(zhǔn)確地定位外界刺激。
而且，與人類皮膚一樣，這種定位的精度可以超越傳感器自身的物理分辨率（兩個(gè)傳感單元之間的距離），即達(dá)到所謂的超分辨率。
磁性皮膚會(huì)先通過霍爾傳感器，大致分析出小球的施力位置在S5領(lǐng)域的右上角。
然后，再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量計(jì)算，將小球的接觸位置定位到S5右上角的坐標(biāo)（X,Y）處。
這種方法確認(rèn)的定位精度，可以達(dá)到0.1毫米，分辨率為6毫米傳感單元間距的60倍。
做出來的磁性皮膚，效果如何呢？
定位精度堪比人類皮膚
這個(gè)觸覺皮膚，不僅能實(shí)時(shí)反饋受力情況、自適應(yīng)抓取易碎物體，還能根據(jù)受力變化和定位精度，及時(shí)調(diào)整力的大小和方向。
例如，在夾取雞蛋的時(shí)候，如果遇到人類外力扯拽，機(jī)械手則會(huì)自動(dòng)增大夾持力；而如果松手的話，機(jī)械手也會(huì)逐漸松開夾爪，避免雞蛋被夾碎。
這種根據(jù)力反饋，來改變施力大小的實(shí)驗(yàn)，在注水實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)得更加明顯。
如果有了力反饋，夾爪在夾住瓶子的時(shí)候，就能根據(jù)瓶子注水的重量來改變用力大小，使得水瓶不至于滑落。
但如果關(guān)閉這種能反饋力度的觸覺功能，瓶子注水到一定程度，就從夾爪中滑落了。
不僅受力大小、方向的反饋非常精準(zhǔn)，這款觸覺皮膚對外界刺激的定位，也非常精確。
例如，通過遠(yuǎn)程按壓觸覺皮膚，就可以遙控機(jī)械夾爪，輕輕松松將發(fā)絲細(xì)度的針線穿過針眼。
據(jù)論文作者表示，他們利用深度學(xué)習(xí)，將超分辨率提升到了60倍，堪比人類皮膚約40倍的超分辨率。
作者表示，這款皮膚極大地減少了機(jī)器人皮膚中的傳感單元和布線，提升了智能皮膚的易用性。
或許，將來用上這款皮膚的智能機(jī)器人，也能擁有和我們一樣的觸覺了~
作者介紹
論文一作閆友璨，是香港城市大學(xué)的博士生，研究方向?yàn)闄C(jī)械與生物醫(yī)學(xué)工程。
這項(xiàng)工作，由來自香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的申亞京教授課題組、和香港大學(xué)計(jì)算機(jī)系的潘佳教授課題組共同完成。
其中，申亞京、潘佳為論文的共同通訊作者。
團(tuán)隊(duì)的其他成員，則分別來自香港城市大學(xué)、CMU和南方科技大學(xué)。
論文地址：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eabc8801
參考鏈接：
https://scholar.google.com/citations?user=eY8D8JYAAAAJ&hl=en
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