安裝SuperTac的靈巧手。受訪者供圖
■本報記者 刁雯蕙
人類的皮膚能夠通過觸覺分辨物體的形狀、大小、質(zhì)地、溫度、濕度等屬性。隨著機(jī)器人逐漸向智能化發(fā)展,未來機(jī)器人能否像人類一樣“感受”外界呢?
清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授丁文伯團(tuán)隊聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界及多所國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu),開發(fā)出名為SuperTac的多模態(tài)高分辨率觸覺傳感器,并將其集成在僅1毫米厚的薄膜上,如同為機(jī)器人穿上“超級光電皮膚”,賦予機(jī)器人同時感知力度、位置、溫度、材質(zhì)、紋理、顏色、振動、滑動、碰撞、接近感應(yīng)等10種感知能力,識別準(zhǔn)確率達(dá)94%以上。近日,相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然-傳感器》。
這項(xiàng)技術(shù)不僅突破了以往觸覺傳感器功能單一且與精度難以兼得的困境,其搭載的觸覺語言模型DOVE更能讓機(jī)器人“聽懂”并“說出”觸覺感受,為人機(jī)交互打開了全新的大門。
受鴿子視覺系統(tǒng)啟發(fā)
機(jī)器人觸覺感知技術(shù)長期面臨“想要功能多,精度就差;想要精度高,功能就少”的兩難局面。該技術(shù)主要基于電子皮膚和視覺傳感器兩種方式,電子皮膚功能多但分辨率低,視覺觸覺傳感器分辨率高但功能單一。這就像“盲人摸象”,有的只能感知溫度,有的只能感知壓力,如果將幾種傳感器拼接在一起,雖勉強(qiáng)還原物體全貌,但器件笨重且感知不準(zhǔn)確。
“我們嘗試從光學(xué)角度來解決這個難題,當(dāng)時鴿子這種非常聰明的生物進(jìn)入了我們的研究視野。”丁文伯介紹,與人類眼睛的3種感光細(xì)胞不同,鴿子的眼睛擁有4種感光細(xì)胞,能看見包括紫外線在內(nèi)的廣闊光譜,其視網(wǎng)膜內(nèi)還含有能感知地球磁場的特殊蛋白,這賦予了它們獨(dú)特的磁導(dǎo)航能力。
受鴿子視覺系統(tǒng)啟發(fā),研究人員開發(fā)出一種多模態(tài)高分辨率的觸覺傳感器SuperTac。他們利用鴿子眼睛的多光譜感知原理,設(shè)計了一套能夠同時捕捉紫外線、可見光、近紅外光和中紅外光4個波段的成像系統(tǒng)。其中,可識別的不同光線波段分工不同:可見光用來識別顏色和紋理,紅外光用來感知溫度,紫外光則用來追蹤皮膚上的熒光標(biāo)記點(diǎn)從而計算受力情況。這套成像系統(tǒng)就像給機(jī)器人配了一臺“全彩夜視儀”,不僅能捕捉物體表面信息,還能獲取顏色、溫度分布、內(nèi)部形變等多維信息。
為實(shí)現(xiàn)這些多維信息的同步采集,研究人員在傳感器表面制備了僅為1毫米厚的薄膜。這層薄膜集成了4層結(jié)構(gòu):最外層是導(dǎo)電層,通過摩擦起電識別材質(zhì);第二層是可以控制不同光線進(jìn)出的光學(xué)單向膜;第三層是嵌有熒光標(biāo)記點(diǎn)的透明硅膠,用于捕捉細(xì)微形變;最底層則是可充氣硅膠層,能像氣墊一樣通過調(diào)節(jié)氣壓來改變軟硬度。
“這4層結(jié)構(gòu)配合起來,就像給機(jī)器人穿上了‘超級光電皮膚’,實(shí)現(xiàn)力度、溫度、材質(zhì)、形變等多種信息的同步采集。”丁文伯介紹。
有觸覺、懂觸覺
“這是一個黃色的陶瓷杯,表面光滑,溫度略高于室溫。”實(shí)驗(yàn)室里,集成了SuperTac的靈巧手觸摸杯子后,能準(zhǔn)確說出杯子的顏色、材質(zhì)、溫度等信息。
除了“超級光電皮膚”,研究人員還開發(fā)了擁有85億參數(shù)的觸覺語言大模型DOVE。它如同機(jī)器人的“觸覺翻譯官”,當(dāng)傳感器收集到圖像和數(shù)字信號后,DOVE能夠?qū)⑦@些信號翻譯成人類能懂的語言。
“比如,我們向機(jī)器人發(fā)出指令‘幫我找一個軟的、溫暖的東西’,它就知道要去觸摸不同物體,并根據(jù)柔軟度和溫度來判斷。如果我們對機(jī)器人說‘小心,這個很脆’,機(jī)器人就會自動調(diào)整抓取力度。”丁文伯介紹說,DOVE讓機(jī)器人不僅‘有觸覺’,還‘懂觸覺’,真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的自然交流。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該技術(shù)在多指靈巧手上的感知和識別任務(wù)上表現(xiàn)出色。例如,在“盲抓”任務(wù)中,機(jī)器人在完全無視覺引導(dǎo)的情況下,僅憑觸覺就能從一堆混雜物品中準(zhǔn)確找出指定目標(biāo),成功率高達(dá)92%。在對金屬、塑料、木材、織物等50種不同材質(zhì)的觸摸分類任務(wù)中,綜合識別準(zhǔn)確率達(dá)到94%。
此外,集成SuperTac的靈巧手還能快速檢測物體表面的溫度分布異常,例如定位電路板上的過熱元件,展現(xiàn)出在工業(yè)質(zhì)檢、食品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
丁文伯介紹,這些觸覺感知能力的展現(xiàn),讓SuperTac在具身智能和人形機(jī)器人領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。針對當(dāng)前機(jī)器人缺乏精細(xì)的觸覺感知能力的問題,該技術(shù)有望讓機(jī)器人不僅“能看”,還能“真正感受”。同時,該技術(shù)在智能制造、農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域也有廣闊應(yīng)用空間,如在極端環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備維修、在黑暗中進(jìn)行搜救作業(yè),SuperTac的多模態(tài)感知能力都能發(fā)揮獨(dú)特作用。
“當(dāng)然,我們清楚地知道,一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用還面臨多重挑戰(zhàn)。”丁文伯指出,首先是成本問題,目前多光譜成像系統(tǒng)與精密加工的制造成本較高,需要通過優(yōu)化工藝和材料,達(dá)到工業(yè)界可接受的水平;其次是耐用性驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)工業(yè)環(huán)境差別較大,該技術(shù)在高溫、低溫、粉塵等惡劣條件下的應(yīng)用有待測試;最后,不同應(yīng)用場景需要針對性地優(yōu)化算法模型。未來,研究團(tuán)隊將在這些方面進(jìn)行探索和改進(jìn)。
《中國科學(xué)報》 (2026-02-04 第4版 綜合)