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與機(jī)器人握手，為何那么難？
嬰兒1周歲就可以抓鬮了，但讓一個(gè)機(jī)器人學(xué)會(huì)抓握，卻是上百篇頂刊論文都講不清楚的事。
科學(xué)家告訴我們，比起下棋像人、說(shuō)話(huà)像人、走路像人，讓機(jī)器人拿起一只氣球或端起一只玻璃杯，是更難辦的事。“10年前，我們?nèi)镉芯湓?huà)：‘不要跟機(jī)器人握手’?！北本├砉ご髮W(xué)柔性電子器件與智造研究所所長(zhǎng)沈國(guó)震說(shuō)。
為什么這么說(shuō)？不知如何握手的機(jī)器人，與這個(gè)世界打交道的方式，究竟缺了什么？
為什么說(shuō)“不要跟機(jī)器人握手”？
沒(méi)有皮膚，真的不一樣
原來(lái)——
“過(guò)去機(jī)器人沒(méi)有觸覺(jué)，無(wú)法控制力道，與人握手不懂得什么時(shí)候松開(kāi)手，一不小心可能會(huì)把人手部的骨頭捏碎。”沈國(guó)震的解答道出機(jī)器人研究的一大癥結(jié)——機(jī)器人身上少了一樣人類(lèi)器官，而且是最大的那個(gè)：皮膚。
沒(méi)有皮膚，機(jī)器人就難以擁有發(fā)達(dá)的觸覺(jué)，電影史上經(jīng)典的機(jī)器人形象之一“剪刀手愛(ài)德華”，一不小心就發(fā)力傷人的場(chǎng)景，今日機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室里仍不鮮見(jiàn)。
也正因此，我們已經(jīng)津津樂(lè)道機(jī)器人寫(xiě)作文、下象棋，但還聽(tīng)不到機(jī)器人嫻熟完成家務(wù)活的消息。
觸覺(jué)，其實(shí)是多種感知信息的“合體”：接觸的位置、接觸力的大小和方向，接觸物（甚至未接觸物）的溫度，紋理、硬度……我們的皮膚可以極其精妙地捕捉這些信息的蛛絲馬跡并傳遞給大腦，我們?cè)S多習(xí)焉不察的反應(yīng)與動(dòng)作于是啟動(dòng)。
可以說(shuō)，皮膚不只是身體表面一層將近2平方米的附著物，更是人與周遭世界的溝通紐帶、互動(dòng)方式。
那么，給機(jī)器人加一身皮膚怎么樣？機(jī)器人可以由此像人一樣感知環(huán)境、適應(yīng)環(huán)境嗎？
裝有仿生三維電子皮膚的機(jī)械手與人手互動(dòng)
電子皮膚，到底什么樣
當(dāng)然，電影里的機(jī)器人不都像愛(ài)德華一般。
科幻電影《阿麗塔》的主角機(jī)器人阿麗塔雖然纖瘦，卻是一名“六邊形戰(zhàn)士”。她的戰(zhàn)斗力源自一身“黑科技”，其中就包括觸覺(jué)比人類(lèi)還靈敏的電子皮膚。
對(duì)，電子皮膚。讓機(jī)器人全面感知自己的身體和周邊環(huán)境，電子皮膚已經(jīng)成為今日機(jī)器人學(xué)重要的研究領(lǐng)域。
機(jī)器人借助電子皮膚擁有觸覺(jué)后，就能更充分、精準(zhǔn)地讀取環(huán)境中的壓力信號(hào)，行動(dòng)也就更為靈活有效。一般而言，現(xiàn)在的機(jī)器人缺乏對(duì)物體精確的力量反饋，難以精準(zhǔn)抓握和操縱微小或柔軟的物體。而電子皮膚則可賦予未來(lái)的機(jī)器人一雙“巧手”，實(shí)施高精準(zhǔn)度的手術(shù)可能都不在話(huà)下。
那到底什么是電子皮膚呢？
沈國(guó)震介紹，人的皮膚由表皮、真皮、皮下組織構(gòu)成，電子皮膚也是類(lèi)似的“三明治”結(jié)構(gòu)，由電極材料、活性材料、柔性襯底組成。電極材料作為電連接層，位于活性材料的兩側(cè)，接收和傳輸電信號(hào)；活性材料的功能是將環(huán)境刺激轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)；柔性襯底則負(fù)責(zé)支撐電子皮膚并將其與機(jī)器人軀體貼合在一起。
開(kāi)發(fā)一款電子皮膚，哪些問(wèn)題必須解決？首當(dāng)其沖是材料“柔”的問(wèn)題。電子皮膚的關(guān)鍵在一個(gè)“柔”字。能作為皮膚的材料必須是柔性、可拉伸的，而不是剛硬、易脆裂的?！袄@指柔”何以可能？
科學(xué)界現(xiàn)在有三種探索方向。第一種著眼于物理柔性，努力開(kāi)發(fā)尺度更小的材料。比方說(shuō)，柔軟又有高度生物相容性的納米硅就可以作為生化傳感器，一定程度實(shí)現(xiàn)皮膚功能。第二種則寄望于結(jié)構(gòu)柔性。努力開(kāi)發(fā)金屬等物質(zhì)的各種新奇力學(xué)結(jié)構(gòu)，彈簧、螺旋、蛇形……將傳統(tǒng)硬質(zhì)材料改造為具備良好的拉伸、彎曲能力的新材料。還有的科學(xué)家試圖突破本征柔性，通過(guò)高分子工程改變聚合物材料性質(zhì)，使其具備高拉伸特性，甚至兼具自我修復(fù)功能。
開(kāi)發(fā)電子皮膚，還得在感知功能上下功夫。傳感是機(jī)器感知環(huán)境的基礎(chǔ)，感知壓力、溫度，判斷觸摸的不同物體，分辨手里拿的究竟是一顆桃子還是一顆雞蛋，無(wú)不需要傳感器。觸覺(jué)傳感器要盡可能充分地獲得相接觸物體表面種種特性，對(duì)傳感靈敏度要求尤高。
為什么說(shuō)“不要跟機(jī)器人握手”？
沈國(guó)震團(tuán)隊(duì)研發(fā)的柔性可延展多功能電子皮膚，可用于人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
此外，傳感器捕捉到的信號(hào)如何高效傳輸，也是問(wèn)題。關(guān)鍵就在于，如何讓信號(hào)在傳輸?shù)綑C(jī)器人“大腦”的過(guò)程中盡量少有耗損？
電子皮膚，我們也來(lái)一套？
實(shí)際上，電子皮膚不止是機(jī)器人的下一代裝備，我們?nèi)祟?lèi)自己也“值得擁有”。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方興未艾的今天，電子皮膚可能是人類(lèi)漫游元宇宙的重要助力。在虛擬世界中，電子皮膚能最大限度地還原觸覺(jué)，不僅使人能近乎真實(shí)地“摸”到虛擬物體，甚至能還原清風(fēng)、水流、火焰帶給人們的感覺(jué)，極大提升沉浸感和真實(shí)感。
此外，對(duì)于燒傷燙傷患者、截肢患者來(lái)說(shuō)，電子皮膚可使他們重獲觸覺(jué)，繼續(xù)享受美好生活。
對(duì)于身心健全的普通人而言，電子皮膚能幫什么忙？“它可以起到一種人體健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的作用。電子皮膚與人體直接接觸，能夠藉由高精度傳感器直接測(cè)量我們身體數(shù)據(jù)（比方說(shuō)心率、體溫、血糖、血壓）的實(shí)時(shí)情況，相當(dāng)于精密程度躍升的‘健康手環(huán)’?！鄙驀?guó)震說(shuō)，目前這類(lèi)技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也將逐步進(jìn)入市場(chǎng)。
其實(shí)，科學(xué)家還有更大膽的想法——能不能將智能手機(jī)的功能融入電子皮膚？如果電子皮膚的傳感器足夠敏銳、電路暢通且性能穩(wěn)定，通過(guò)“點(diǎn)擊”電子皮膚的不同位置來(lái)收發(fā)消息、接撥電話(huà)，是不是也順理成章？
也許到那時(shí)，我們真的就可以丟下手機(jī)，輕裝出門(mén)了。
*本文為《半月談》2024年第13期內(nèi)容
原標(biāo)題《與機(jī)器人握手，你敢嗎？》
半月談?dòng)浾撸簭埪?span> / 編輯：范鐘秀
[責(zé)任編輯：季爽]
