机器人用上AI后，拥有了堪比人类皮肤的触觉：轻松引线穿针、夹取鸡蛋丨Science子刊
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萧箫 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
你见过能灵活夹取鸡蛋、可取可放的机器人吗？
不仅如此，甚至还能穿针引线：
就算是往它拿着的瓶子里倒水，也不会掉：
这是来自香港城市大学、香港大学、CMU和南方科技大学的科学家，联手打造出的一款机器人触觉皮肤，效果堪比人类皮肤——
不仅可以精准感知到力度方向和大小，还能准确定位外界刺激的位置。
目前，这一研究成果已登上Science子刊《Science Robotics》。
这样神奇的触觉皮肤，究竟是怎么做出来的？
将AI与磁性薄膜结合
首先，这种磁性皮肤，用到了一种基于磁性薄膜的触觉传感器，来感知力的大小与方向。
这种触觉传感器的核心，由一层经过单面多级正弦磁化的磁膜、以及嵌在印刷电路板上的霍尔传感器构成。
经单面多级正弦磁化后的磁体，又被称作Halbach阵列，它的特点是在削弱一侧磁场的同时，能极大地增强另一侧磁场。
论文一作闫友璨发现，这种阵列还有一种特殊性质，使得磁膜能互不干扰地测量正压力和切向力，使得受力反馈更精确。
这种技术，多被用于磁悬浮列车、粒子加速器、电磁炮等领域（冰箱贴也是类似的原理）。
当外力施加在磁膜上时，霍尔传感器将测量到由磁膜变形所引起的磁场变化，进而测量出施加外力的大小和方向。
当然，磁膜和霍尔传感器之间，可以填充不同厚度和弹性的硅胶，来调节传感器的灵敏度和量程。
这就完了？
当然不，这种磁性皮肤，还用到了深度学习的算法，来更加准确地定位外界刺激。
而且，与人类皮肤一样，这种定位的精度可以超越传感器自身的物理分辨率（两个传感单元之间的距离），即达到所谓的超分辨率。
磁性皮肤会先通过霍尔传感器，大致分析出小球的施力位置在S5领域的右上角。
然后，再通过神经网络进行定量计算，将小球的接触位置定位到S5右上角的坐标（X,Y）处。
这种方法确认的定位精度，可以达到0.1毫米，分辨率为6毫米传感单元间距的60倍。
做出来的磁性皮肤，效果如何呢？
定位精度堪比人类皮肤
这个触觉皮肤，不仅能实时反馈受力情况、自适应抓取易碎物体，还能根据受力变化和定位精度，及时调整力的大小和方向。
例如，在夹取鸡蛋的时候，如果遇到人类外力扯拽，机械手则会自动增大夹持力；而如果松手的话，机械手也会逐渐松开夹爪，避免鸡蛋被夹碎。
这种根据力反馈，来改变施力大小的实验，在注水实验中体现得更加明显。
如果有了力反馈，夹爪在夹住瓶子的时候，就能根据瓶子注水的重量来改变用力大小，使得水瓶不至于滑落。
但如果关闭这种能反馈力度的触觉功能，瓶子注水到一定程度，就从夹爪中滑落了。
不仅受力大小、方向的反馈非常精准，这款触觉皮肤对外界刺激的定位，也非常精确。
例如，通过远程按压触觉皮肤，就可以遥控机械夹爪，轻轻松松将发丝细度的针线穿过针眼。
据论文作者表示，他们利用深度学习，将超分辨率提升到了60倍，堪比人类皮肤约40倍的超分辨率。
作者表示，这款皮肤极大地减少了机器人皮肤中的传感单元和布线，提升了智能皮肤的易用性。
或许，将来用上这款皮肤的智能机器人，也能拥有和我们一样的触觉了~
作者介绍
论文一作闫友璨，是香港城市大学的博士生，研究方向为机械与生物医学工程。
这项工作，由来自香港城市大学生物医学工程系的申亚京教授课题组、和香港大学计算机系的潘佳教授课题组共同完成。
其中，申亚京、潘佳为论文的共同通讯作者。
团队的其他成员，则分别来自香港城市大学、CMU和南方科技大学。
论文地址：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eabc8801
参考链接：
https://scholar.google.com/citations?user=eY8D8JYAAAAJ&hl=en
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