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“閉上你美麗的眼睛，我來帶你感受世界”如果你的心儀對(duì)象對(duì)你深情的說這句話，會(huì)不會(huì)感覺特別浪漫呢？現(xiàn)在，軟體機(jī)器人也有同樣的能力了。
人類的進(jìn)化從：早期猿人-晚期猿人-早期智人（古人）-晚期智人（新人）到現(xiàn)代人。機(jī)器人的升級(jí)從傳統(tǒng)機(jī)器人：僵硬，機(jī)械，毫無感知到現(xiàn)在變的很柔軟，可以感知觸摸。此前機(jī)器人大多通過運(yùn)動(dòng)相機(jī)、激光雷達(dá)系統(tǒng)以及算法來獲取并生成環(huán)境三維信息。但現(xiàn)在軟體機(jī)器人因骨骼驚奇、身體柔軟，可以穿梭于一般機(jī)器人難以觸達(dá)的地方。人類的改變是幾百萬(wàn)年來環(huán)境的影響，不斷進(jìn)化，機(jī)器人是人類制造出來的產(chǎn)物，見證著人類科技的進(jìn)步，不斷的向前發(fā)展。
軟體機(jī)器人是怎樣的呢？可以感知的電子皮膚又是怎么一回事？讓我們來看看麻神理工學(xué)院的杰作。
近日，麻省理工學(xué)院發(fā)明的一種電子皮膚可以覆蓋在軟體機(jī)器人上，幫助這些機(jī)器人即便「蒙上雙眼」也能對(duì)外界的情況進(jìn)行感知。其原理是利用來自其“感測(cè)”皮膚的運(yùn)動(dòng)和位置數(shù)據(jù)，使軟機(jī)械臂能夠了解其在3D空間中的配置。
外網(wǎng)科技媒體評(píng)論稱，這個(gè)由柔性極高的材料（（類似于在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的材料））制作而成的軟機(jī)器人，也受到目前機(jī)器人向著更安全方向的思路影響，比傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的更安全，更柔性，更具彈性和適應(yīng)性，以及具備生物特性的新一代機(jī)器人全新替代品。
但是難點(diǎn)同樣存在！例如對(duì)這些可變形機(jī)器人進(jìn)行自主控制就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)檫@些新軟體機(jī)器人可以在任何給定時(shí)刻沿幾乎無限個(gè)方向移動(dòng)，這使得研究人員很難通過編程或者示教，訓(xùn)練用于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備的規(guī)劃和控制模型。
原先，實(shí)現(xiàn)自主控制的傳統(tǒng)方法（控制系統(tǒng)）是使用具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)的大型視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為機(jī)器人提供有關(guān)3D運(yùn)動(dòng)和位置的反饋。但是，目前對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的這個(gè)新軟體機(jī)器人而言，這是不切實(shí)際的。
發(fā)表在《IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》上的論文中，研究人員描述了一種配套軟體傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋機(jī)器人的身體，以提供“本體感覺”，即感知其身體的運(yùn)動(dòng)和位置。該反饋會(huì)進(jìn)入一種新穎的深度學(xué)習(xí)模型，該模型可篩選出噪聲并捕獲清晰的信號(hào)，以計(jì)算機(jī)器人的3D位置。研究人員在這個(gè)看起來類似于橡樹干的軟機(jī)器人手臂上驗(yàn)證了他們的系統(tǒng)，讓該機(jī)器人手臂可以自動(dòng)擺動(dòng)和伸展，并可以預(yù)測(cè)自己的空間位置。
圖片來源：麻省理工學(xué)院
這些研究人員的軟傳感器是將導(dǎo)電硅膠片切成折紙形狀，使它們具有“壓阻”特性，這意味著它們?cè)趹?yīng)變時(shí)會(huì)改變電阻。當(dāng)傳感器響應(yīng)機(jī)械臂的拉伸和壓縮而變形時(shí)，其電阻將轉(zhuǎn)換為輸出電壓，然后將其用作與該運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)。
麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的博士后Ryan Truby表示，該傳感器可以使用人類現(xiàn)成的材料制造，這意味著今后任何實(shí)驗(yàn)室都可以開發(fā)自己的系統(tǒng)。
他說：“我們正在感測(cè)軟機(jī)器人特性，使其從傳感器（而不是視覺系統(tǒng)）獲取反饋以進(jìn)行控制，而不是和原先一樣通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行控制。” “例如，我們想使用這些柔軟的機(jī)器人樹干來自動(dòng)定向和控制自己，撿拾東西并與世界互動(dòng)。這是向這種更復(fù)雜的自動(dòng)化控制邁出的第一步。”
未來的目標(biāo)之一是幫助制造出可以更加靈巧地處理和操縱環(huán)境中物體的人造肢體。CSAIL主任Daniela Rus和電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Andrew and Erna Viterbi教授合著一本書表示，他說：“想想人類自己的身體：您可以閉上眼睛，根據(jù)皮膚的反饋來了解世界。” “我們希望為軟機(jī)器人設(shè)計(jì)相同的功能。”
塑造軟傳感器
完全集成的人體傳感器是軟機(jī)器人技術(shù)的長(zhǎng)期目標(biāo)。傳統(tǒng)的剛性傳感器會(huì)損害軟機(jī)器人的自然柔韌性，使其設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜化，并可能導(dǎo)致各種機(jī)械故障。因此，基于軟材料的傳感器是一種更合適的替代方案，但是其設(shè)計(jì)需要專門的材料和程序運(yùn)行方法，這使得許多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室難以在軟機(jī)器人中制造和集成它們。
有一天，在他的CSAIL實(shí)驗(yàn)室工作期間，尋找傳感器材料的靈感時(shí)，Truby和這些新材料建立了有趣的聯(lián)系。他說：“我發(fā)現(xiàn)這些用于電磁干擾屏蔽的導(dǎo)電材料薄片可以在任何地方成卷購(gòu)買。” 這些材料具有“壓阻”特性，這意味著它們?cè)趹?yīng)變時(shí)會(huì)改變電阻。Truby意識(shí)到，如果將它們放在運(yùn)動(dòng)物體上的某些位置，它們可以制成有效的軟傳感器。當(dāng)傳感器響應(yīng)于軀干的拉伸和壓縮而變形時(shí)，能其電阻將轉(zhuǎn)換為特定的輸出電壓，然后將該電壓用作與該運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)。
但是這種材料的伸縮性不高，這將限制其在軟機(jī)器人中的使用。受kirigami（提出折紙的一種變化形式，其中包括對(duì)材料進(jìn)行切割）的啟發(fā)，Truby設(shè)計(jì)并用激光切割了矩形的導(dǎo)電硅膠片，將其切割成各種圖案，例如成排的小孔或類似鏈節(jié)圍欄的交叉切片。Truby說，這使它們更加靈活，可拉伸，而且“看起來漂亮”。
研究人員設(shè)計(jì)的機(jī)器人軀干包括三個(gè)部分，每個(gè)部分帶有四個(gè)用于移動(dòng)手臂的流體致動(dòng)器（總共12個(gè)）。他們?cè)诿總€(gè)段上融合了一個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器覆蓋并收集了來自軟機(jī)器人中一個(gè)嵌入式執(zhí)行器的數(shù)據(jù)。他們使用了“等離子鍵合”技術(shù)，該技術(shù)可以使一種材料的表面通電，使其與另一種材料鍵合。大約需要幾個(gè)小時(shí)才能成型出數(shù)十個(gè)傳感器，這些傳感器可以使用手持式等離子結(jié)合設(shè)備結(jié)合到軟機(jī)器人上。
圖片來源：麻省理工學(xué)院
如假設(shè)的那樣，在實(shí)驗(yàn)中他們將傳感器安在了一個(gè)行李箱上，傳感器確實(shí)捕獲了行李箱的總體運(yùn)動(dòng)。但是他們真的很吵。“從本質(zhì)上講，按我們傳統(tǒng)的觀念來看，它們?cè)谠S多方面都是非理想的傳感器，因?yàn)樵胍羰枪I(yè)上非常討厭的事。”特魯比說。“但這只是用軟導(dǎo)電材料制造傳感器的普遍事實(shí)。性能更高且更可靠的傳感器需要大多數(shù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室所沒有的專用工具制造。”
于是，為了僅使用傳感器來估算軟機(jī)器人的配置，研究人員建立了一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過篩查噪聲以捕獲有意義的反饋信號(hào)來完成大部分繁重的工作。研究人員開發(fā)了一種新模型，以運(yùn)動(dòng)學(xué)方式描述了軟機(jī)器人的形狀，從而大大減少了處理模型所需的變量數(shù)量。
圖片來源：麻省理工學(xué)院
在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓軟機(jī)器人的軀干擺動(dòng)，并以隨機(jī)配置將自己延伸大約一個(gè)半小時(shí)，他們使用傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲取地面真實(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)在訓(xùn)練中，該模型也自主分析了來自其傳感器的數(shù)據(jù)以預(yù)測(cè)配置，并將其預(yù)測(cè)與同時(shí)收集的地面真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這樣，模型“學(xué)習(xí)”以將信號(hào)模式從其傳感器映射到實(shí)際配置。結(jié)果表明，對(duì)于某些更穩(wěn)定的配置，機(jī)器人的傳感器估計(jì)形狀與地面真實(shí)情況相符。
接下來，研究人員旨在探索新的傳感器設(shè)計(jì)以提高靈敏度，并開發(fā)新的模型和深度學(xué)習(xí)方法，以減少每臺(tái)新的軟機(jī)器人所需的訓(xùn)練時(shí)間和流程。他們還希望完善系統(tǒng)，以更好地捕獲機(jī)器人的完整動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)前，該軟機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳感器皮膚對(duì)捕捉細(xì)微運(yùn)動(dòng)或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)不敏感。但是，對(duì)于目前基于學(xué)習(xí)的軟機(jī)器人控制方法而言，這是重要的第一步，特魯比說：“像我們的軟機(jī)器人一樣，人類的生活系統(tǒng)也不一定是完全精確的，因此，與我們?nèi)祟愊啾龋瑱C(jī)器人一開始也不是精確的機(jī)器，做一個(gè)看起來不那么精準(zhǔn)的機(jī)器人，我們無疑做得很好。”
在未來，機(jī)器人會(huì)越來越像人類，但很多方面又會(huì)比人類更勝一籌，人類做不到的，他們可以完成。那么問題來了，將來，機(jī)器人會(huì)完全代替人類嗎？
