如何讓機(jī)器人具備像人類一樣的觸覺(jué)？

在工廠和倉(cāng)庫(kù)，機(jī)器人在力量和精度上通常都勝過(guò)人類。人工智能軟件可以駕駛汽車(chē)，可以戰(zhàn)勝國(guó)際象棋大師，還能在《危險(xiǎn)邊緣》智力問(wèn)答節(jié)目中完勝人類選手。

但機(jī)器仍然缺乏一些至關(guān)重要的能力，因此短期內(nèi)依舊難以在很多功能上趕超人類——精密而完善的觸覺(jué)便是其中之一。

例如，斯坦福醫(yī)院頭頸外科醫(yī)生尼古拉斯·布雷文思(Nikolas Blevins)經(jīng)常進(jìn)行耳部手術(shù)，在手術(shù)過(guò)程中，他必須掌握熟練的技巧，才能將耳骨與薄如蟬翼的內(nèi)表面剝離開(kāi)來(lái)。

布雷文思正在與機(jī)器人學(xué)家肯尼斯·薩利博瑞(J. Kenneth Salibury)和薩尼·陳(Sonny Chan)合作設(shè)計(jì)一款軟件，使之可以在正式手術(shù)前進(jìn)行“排練”。這款程序能將X射線與磁共振成像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而創(chuàng)造出栩栩如生的3D內(nèi)耳模型，供外科醫(yī)生練習(xí)之用。還可以借此對(duì)病人的頭蓋骨進(jìn)行一場(chǎng)“虛擬旅行”，通過(guò)虛擬方式“感受”軟骨、骨骼和軟組織之間的細(xì)微差別。

然而，無(wú)論多么細(xì)致入微，這款軟件也只能在大致程度上為布雷文思提供粗糙的觸覺(jué)感受?！耙鎏摂M手術(shù)，就必須有觸覺(jué)?！彼傅氖强梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模仿人類觸覺(jué)的技術(shù)。

這款軟件所面臨的局限在機(jī)器人行業(yè)十分典型，也正因如此，對(duì)人類而言十分本能的任務(wù)，在機(jī)器身上卻很難實(shí)現(xiàn)。自從斯坦福人工智能實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)六十年代設(shè)計(jì)出首款機(jī)器手臂以來(lái)，機(jī)器人已經(jīng)學(xué)會(huì)了在工廠里進(jìn)行重復(fù)性的勞動(dòng)。但在很多基本功能上卻始終面臨困難，例如打開(kāi)處于關(guān)閉狀態(tài)的門(mén)，跌倒后自己爬起來(lái)，從口袋里拿出硬幣，以及在手指上轉(zhuǎn)動(dòng)鉛筆。

在學(xué)術(shù)界，這種高級(jí)的人工智能技術(shù)與拙劣的實(shí)際行動(dòng)能力之間的相關(guān)性，甚至有一個(gè)專門(mén)的名稱：莫拉維克悖論。這是以機(jī)器人先驅(qū)漢斯·莫拉維克(Hans Moravec)的名字命名的一種理論，他在1988年的寫(xiě)下了這樣一段話：“要讓計(jì)算機(jī)在智力測(cè)驗(yàn)或象棋比賽中，實(shí)現(xiàn)像成人一樣的表現(xiàn)，是相對(duì)比較容易的；但是要讓電腦具備如一歲小孩般的感知和行動(dòng)能力，卻是相當(dāng)困難的，甚至完全不可能實(shí)現(xiàn)。”

如果要讓機(jī)器人像服務(wù)員、衛(wèi)生員、文秘、保健員一樣，與人類展開(kāi)真正的協(xié)作，就必須依靠觸覺(jué)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。

“這個(gè)問(wèn)題很復(fù)雜，需要時(shí)間?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校機(jī)器人學(xué)家肯·古德伯格(Ken Goldberg)說(shuō)，“人類很擅長(zhǎng)這些事情，我們經(jīng)過(guò)了數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化?！?/span>

人類觸覺(jué)無(wú)比精密

作為一種感覺(jué)，觸覺(jué)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超普通人的想象。人類擁有一系列器官，可以精確地感知壓力、沖力、溫度和震動(dòng)。（德國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，浣熊已經(jīng)進(jìn)化出動(dòng)物世界中最復(fù)雜的大腦功能，使之可以在黑暗中處理觸覺(jué)沖動(dòng)）。

研究顯示，人類觸覺(jué)的精密程度比之前所認(rèn)為的高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，瑞典科學(xué)家在《自然》雜志上刊登論文稱，人體的動(dòng)態(tài)觸覺(jué)（例如，當(dāng)手指劃過(guò)表面時(shí)的觸覺(jué)）可以區(qū)分出高度不超過(guò)13納米的凸起，也就是0.0000005英寸。

這相當(dāng)于一個(gè)分子的大小。按照瑞典皇家理工學(xué)院表面化學(xué)教授馬克·魯特蘭德(Mark Rutland)的解釋，假如人的手指像地球一樣大，它足以感覺(jué)出一輛汽車(chē)和一棟房子的大小差異。生理學(xué)家認(rèn)為，手指與各種表面之間的互動(dòng)可以被一種名為“機(jī)械感受器”(mechanoreceptor)的器官探測(cè)到，這種器官植根于人體皮膚的不同深度中。有些能感受到物體的尺寸或形狀變化，還有的可以感受到震動(dòng)。

具體到細(xì)微的表面震動(dòng)，關(guān)鍵信息源自帕氏小體(Pacinian corpuscles)，這是一種長(zhǎng)約1毫米的橢圓形結(jié)構(gòu)，可以在形狀改變時(shí)發(fā)出信號(hào)。

觸覺(jué)學(xué)的目標(biāo)就是復(fù)制這種敏感性，因此，這門(mén)學(xué)科在計(jì)算世界與人類相聯(lián)系的過(guò)程中扮演著越來(lái)越重要的作用。觸覺(jué)學(xué)最重大的進(jìn)步之一是由Mako Surgical公司創(chuàng)造的，這是機(jī)器人學(xué)家羅尼·阿伯維茨(Rony Abovitz)2004年創(chuàng)辦的一家公司。2006年，Mako Surgical開(kāi)始提供一種機(jī)器人，能在外科醫(yī)生修復(fù)膝關(guān)節(jié)炎的過(guò)程中，為其提供精確反饋。

“我認(rèn)為觸覺(jué)學(xué)是一種將機(jī)器智能與人類智能整合起來(lái)的方式，它能讓機(jī)器和人類分別發(fā)揮自己的長(zhǎng)處。我認(rèn)為二者將存在一種有趣的共生方式。”阿伯維茨說(shuō)。

“外科醫(yī)生仍然擁有控制感，可以將精力投入到動(dòng)作和力道上。但所有的智能引導(dǎo)任務(wù)，以及外科醫(yī)生的常規(guī)活動(dòng)，都是由機(jī)器來(lái)負(fù)責(zé)的?！?/span>

機(jī)器人蘊(yùn)含危險(xiǎn)

即使是在機(jī)器人的地位已經(jīng)確立的工業(yè)領(lǐng)域，專家也擔(dān)心，與機(jī)器人并肩工作的人可能面臨危險(xiǎn)。機(jī)器人已經(jīng)在美國(guó)引發(fā)了數(shù)十次工人傷亡時(shí)事件。如果要真正促成機(jī)器人革命的發(fā)生，科學(xué)家就必須創(chuàng)造能?chē)?yán)格遵守安全標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器，而且成本不能過(guò)高。

“過(guò)去30年間，工業(yè)機(jī)器人一直都只關(guān)注一個(gè)指標(biāo)：又快又便宜。”美國(guó)機(jī)器人公司HDT Global高級(jí)項(xiàng)目總監(jiān)肯特·梅西(Kent Massey)說(shuō)，“我們一直都看重速度，這很好，但當(dāng)今的常規(guī)機(jī)器手都很死板，而且又笨重又僵硬，所以十分危險(xiǎn)。”

現(xiàn)在已經(jīng)有很多機(jī)器手設(shè)計(jì)公司開(kāi)始著眼于更加安全的產(chǎn)品，梅西的公司便是其中之一。波士頓的Rethink Robotics和丹麥的Universal Robots已經(jīng)開(kāi)發(fā)了“彈性”機(jī)器人，可以感知與人類的接觸。Universal的系統(tǒng)將一系列位于關(guān)節(jié)處的傳感器與軟件相互配合，從而實(shí)現(xiàn)了這一功能。Rethink的機(jī)器人則使用了“串聯(lián)彈性促動(dòng)器”——其本質(zhì)上是關(guān)節(jié)處的一些彈簧，可以模擬人體肌肉和肌腱的彈性——和聲學(xué)傳感器，從而讓機(jī)器人在與人類接近時(shí)能放慢速度。

除了提升基本的安全性之外，科學(xué)家還在關(guān)注更多的細(xì)微觸覺(jué)。去年，喬治亞理工學(xué)院的研究人員在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，他們裝配了一組名為“taxel”的小型晶體管，可以測(cè)量電荷變化，從而判斷機(jī)械應(yīng)變或壓力。其目標(biāo)是借此設(shè)計(jì)各種觸敏應(yīng)用，包括為機(jī)器人或其他設(shè)備制作的人造皮膚。

多種輔助方案

很多研究的重點(diǎn)都集中在視覺(jué)及其在觸覺(jué)中的作用。Intuitive Surgical公司開(kāi)發(fā)的da Vinci Xi手術(shù)系統(tǒng)使用了高清3D攝像頭，使得醫(yī)生可以通過(guò)微型手術(shù)器械，進(jìn)行遠(yuǎn)程精細(xì)操作。該公司還在努力提升外科醫(yī)生的視野范圍和清晰度，因?yàn)楫?dāng)今的觸覺(jué)學(xué)技術(shù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足很多手術(shù)操作的要求，例如在器官等軟組織上進(jìn)行必要的操作。

非營(yíng)利組織SRI International首席工程師科特·薩利斯伯瑞(Curt Salisbury)認(rèn)為，盡管外科醫(yī)生可以依據(jù)軟組織提供的視覺(jué)線索來(lái)了解他手中的工具施加的壓力，但很多時(shí)候，僅憑視覺(jué)仍然難以作出充分的判斷。

“在視野不佳時(shí)，觸覺(jué)反饋仍然至關(guān)重要。”他說(shuō)。

其他研究人員相信，隨著不斷進(jìn)步的傳感器更加精準(zhǔn)地模擬人類皮膚，再加上融合了視覺(jué)、觸覺(jué)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的算法，便可以推動(dòng)下一代機(jī)器人實(shí)現(xiàn)巨大的進(jìn)步。

馬薩諸塞州伍斯特理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)助理教授愛(ài)德華多·特雷斯-加拉(Eduardo Torres-Jara)，正在探索一條道路。他定義了一種名為“敏感機(jī)器人學(xué)”的理論，并據(jù)此開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型，只需要知道機(jī)器人的手腳與地面或物體接觸的位置，便可幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、抓取和操作。

“一切都是為了識(shí)別觸覺(jué)事件，并很好地理解這些事件?！彼f(shuō)。借助能夠探測(cè)微小磁力變化的人造仿生皮膚，他已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種兩腿行走的機(jī)器人，可以通過(guò)測(cè)量腳底的支撐力變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡，甚至大步行走。

如果能夠獲取更加強(qiáng)大的計(jì)算能力，便可改善觸覺(jué)能力，那么曙光或許就在前方。伯克利的機(jī)器人學(xué)家古德伯格已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)一套云計(jì)算機(jī)器人系統(tǒng)，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取強(qiáng)大的計(jì)算能力。

“云機(jī)器人的理念令我振奮?！彼f(shuō)，“它可以突破我們?cè)谟?jì)算能力上面臨的限制?！?/span>

今年7月，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的贊助下，布朗大學(xué)、康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的機(jī)器人學(xué)家，共同設(shè)計(jì)了一個(gè)名為Robo Brain的數(shù)據(jù)庫(kù)，希望提供一個(gè)專門(mén)存儲(chǔ)圖片和視頻的在線平臺(tái)，為在現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行各種行動(dòng)的機(jī)器人提供支持。例如，任何聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人或機(jī)器手均可獲取如何識(shí)別、抓取和拿起咖啡杯的信息。

其他觸覺(jué)學(xué)研究人員相信，通過(guò)人工方式復(fù)制觸覺(jué)將對(duì)自動(dòng)化機(jī)器人的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，甚至對(duì)增強(qiáng)人類自身能力的各種系統(tǒng)形成促進(jìn)。

去年秋天，斯坦福大學(xué)機(jī)械工程副教授阿里森·奧卡姆拉(Allison Okamura)講授了一門(mén)觸覺(jué)學(xué)在線課程。學(xué)生們組裝了由奧卡姆拉與他人共同設(shè)計(jì)的“hapkit”組件，然后通過(guò)編程開(kāi)發(fā)了彈簧和減震器等虛擬設(shè)備，而且可以像在現(xiàn)實(shí)世界中一樣進(jìn)行操作。

這些學(xué)生探索了各種新項(xiàng)目，調(diào)整了硬件，并相互分享了各自的項(xiàng)目。奧卡姆拉表示，學(xué)生們的熱情完全可以理解。

“如果你擁有所有的感覺(jué)——視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)和嗅覺(jué)——但有人卻會(huì)逐一將其奪走，你最不愿放棄哪一種？”她問(wèn)，“幾乎所有人的回答都是視覺(jué)，但我的答案是觸覺(jué)?！?/span>