震撼！具有人类触感的人工指尖，可以改善机器人指尖触觉

神经科学和机器人技术领域正在融合发展。目前，研究人员打造出了一种具有人类触感的人工指尖。利用仿生触觉指尖可以了解人类触觉的神经生理学，可以改善灵巧机器人的接触感应，并可以利用神经假肢恢复截肢者的触觉。

刺激如何在周围神经系统中被表示（编码）至关重要。在触觉方面，这包括：(i)个体接受单位对局部皮肤组织的动态反应；(ii)个体传入神经纤维在受到刺激时如何代表这些动态；以及(iii)传入神经的数量如何代表触觉刺激的空间和时间方面。在这里，TacTip仿生触觉传感器为这三个方面提供了一个合适的人工模拟方案。

TacTip的设计是基于无毛皮肤的浅层。TacTip由仿橡胶材料制成的外部仿生表皮，覆盖在由弹性体凝胶制成的柔软内部仿生真皮层上(图1E)。这两种材料交错在仿生皮肤中。这种结构放大了皮肤表面的变形。标记物通过USB相机进行光学成像。

图1：（A）人类触觉传递管道。（B）机器人触觉传递管道。（C）TacTip 3D打印主体和尖端。（D）人类（无毛）皮肤图，如指尖。（E）TacTip较软的人工真皮（透明硅胶），以及外层较硬的人工表皮。

图2：(A)机器人设置：TacTip作为ABB机械臂的末端执行器，收集非周期光栅刺激的数据。(B)平板刺激平面图（左）；周期性光栅刺激在两个正交方向上的平面图。(C)7个非周期光栅的平面视图。

图3：（A、B）TacTip按压平板时变形简化图。(A)静止时，即不变形，(B)压平。(C-G)TacTip在非周期性光栅的特征上的按压变形简化图：在静止的(C)，一个边缘(D)，一个孤立的棒(E)，和一个边缘相邻的两个间隙(F，G)。

TacTip（人工指尖）可以对物体的不同形状和表面纹理做出响应，可以完成包括织物的触摸和捡起一个鸡蛋等动作。

如上图所示为布里斯托大学(University of Bristol)研制的一个机械手正在握住一个红色圆柱体。在此基础上，布里斯托大学的研究人员创造了一种具有人类触感的人工指尖。

研究结果发表在《Journal of the Royal Society Interface》上。

人工指尖的工作机制

Lepora说，人类指尖帮助我们控制我们的手以及当我们抓住东西时它们施加的压力。这就是布里斯托大学研究团队基于人类指尖，模拟并制造了一个类似于人类皮肤的多层结构并结合了神经网络的人工指尖的原因。

机器人的人工指尖大约有成年人的大脚趾那么大。

通过 3D 打印，研究人员设计了人工指尖---“TacTip”，它具有坚硬的外层（表皮）、较软的内层（真皮）以及它们之间的几个小针，代表人体皮肤内的突起。

在人类中，这些突起附近的神经末梢，可以将信息传递回我们的大脑。在机器人中，研究人员放置了一个微型摄像头，该摄像头可以根据针脚何时以及如何移动来进行检测。该神经网络与人工智能 (AI) 算法相结合，然后将这些检测信号转化为机器人的行动。

如上图所示，TacTip 抓起了一个黄色棒球。（布里斯托大学）

Lepora 还在布里斯托机器人实验室使用了一张陶瓷半身像来测试工业机械臂上的人工指尖。

“机器人以一种非常温和的方式滑过陶瓷半身像的脸、鼻子、嘴唇，机器人不会破坏物体，也能顺应物体的轮廓，”

如上图所示，机器人学教授 NathanLepora 在机械臂上测试 TacTip，使机械臂轻轻地抚摸一个陶瓷半身像。（布里斯托大学）

Lepora说，人工指尖使机器人能够拥有类似于人类的触觉，进而提高机器人的灵活性。

人工指尖的应用

人工指尖引起了匹兹堡大学物理医学和康复学副教授罗伯特·冈特的兴趣，冈特教授去年与CBC电台的Quirks and Quarks谈到了使用脑机接口刺激脊髓损伤患者的人工触觉的机械臂。

“我希望像[TacTip]这样的传感器可以集成到机械手中，”冈特在电子邮件中提到。

冈特教授提到，目前，假肢无法感知触觉，并且仅能在少数几个位置感知压力，感知能力也非常有限。

“我已经可以想象在我们的一些研究项目中使用[TacTip]这样的传感器，”他说。

对于 Lepora 来说，下一步是软件问题，而不是硬件问题。

布里斯托尔的研究人员说：“我想说，最大的未解决问题是如何与人工智能结合起来，让这些机械手能够控制这些灵巧的任务。”

“在过去 10 年左右的时间里，人工智能革命影响了计算机和机器人视觉、语音和语言处理等领域……例如Alexa 和 Siri的诞生等等。”

“人工智能的发展进步应用到机器人的灵巧性和机器人的触觉方面……这个领域才是真正完成了质的飞跃。”

参考链接

ArtificialSA-I and RA-I Afferents for Tactile Sensing of Ridges and Gratings NicholasPestell, Thom Griffith and Nathan F. Lepora

https://www.cbc.ca/radio/asithappens/as-it-happens-the-monday-edition-1.6415906/researchers-give-a-robot-hand-the-power-of-touch-designing-a-human-like-fingertip-1.6417499

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