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“电子皮肤”打通触觉开关,将如何颠覆医疗+制造业?

芯片工业智能服务机器人
亿欧
张继文
2019-07-19 · 19:02
[ 亿欧导读 ] 从2014年的《超体》、《星际穿越》到2015年的《超能陆战队》、2019年的《流浪地球》,以人工智能为题材的机器人是所有科幻导演们的宠儿,机器人除却在外形和智力上与人类无异,甚至在皮肤感知、神经触觉等方面更甚。
女性机器人,传感器,电子皮肤,压力传导,医疗 图片来自“123rf.com.cn”

从2014年的《超体》、《星际穿越》到2015年的《超能陆战队》、2019年的《流浪地球》,以人工智能为题材的机器人是所有科幻导演们的宠儿,机器人除却在外形和智力上与人类无异,甚至在皮肤感知、神经触觉等方面更甚。而随着机器学习与卷积神经网络技术的不断更迭,电影上的VR场景正一一变为现实。

近日,《麻省理工科技评论》发表了一篇名为《传感器填充的“皮肤”可以为假手提供更好的触感》介绍了新加坡大学的团队在“电子皮肤”上的研究进展。该团队发表在Science Robotics的论文中,向大家展示了一篇帮助机器人检测和理解外部环境的“电子皮肤”。

这款“电子皮肤”如风卷海浪般掀起一波AI潮,实验室AI新技术一直是当前产业发展的补给站,同时也是助力商业落地化的催化剂。“电子皮肤”可以让机器人感受外部世界的信息,并将信号传输到机器人的大脑,从而做出相应的反映和判断。结合当前医疗产业和机器人制造产业发展的挑战难点,该项技术一定是助其实现跨越式进阶的“必需品”,此中有真意,欲辨看下文。

压力传导和“电子皮肤”,让机器人“感知”外部世界

首先,让我们先听听“电子皮肤”发明者Benjamin Tee的故事......

牛顿发现地心引力,爱因斯坦发现相对论,任何一项科技创新都源自“好奇”。Benjamin Tee曾提到:“当我还是个孩子的时候,我对外界事物充满了好奇心,因此我总是会打碎东西来了解他们。”小时候将祖母的闹钟打碎的经历,更是激发他对于物理世界的探知。

在他作为斯坦福大学的一名博士生时,他与团队成员一同开发了一款“智能绷带”,这款绷带可以让检测到手腕附近桡动脉的脉搏,并且可以评估你动脉的健康状况。由此可见,智能感应是Benjamin Tee一直坚持并痴迷的研究方向。因此,他开发了这款压力敏感性的“电子皮肤”,这款“电子皮肤”覆盖了240个传感器,用于接收压力,温度和湿度等外界信息,并且可以将这些信息传输到单个解码器,供机器人评估外部环境。

《由神经启发的适用于可扩展电子皮肤的人工周围神经系统》论文中讲到:理想的电子皮肤应具有高度响应性,能够解决毫秒级精确的触觉刺激,以促进快速鉴别。这使得新兴的灵巧机器人能够快速对高度局部化和瞬态接触事件做出反应,例如针刺或物体滑动等。

高度响应、精准刺激反馈,这些对于传感器的传输方式都会有一定要求。Benjamin Tee团队此前发布的触觉敏感电子皮肤,主要是通过串行传输。但随着传感器的数量增加,便会导致延迟瓶颈和布线复杂。为攻破技术难关,此次发布的异步编码电子皮肤(ACES)是一种神经模拟结构,该“皮肤”能够同时传输热、触觉信息,即便阵列大小超过10,000个传感器也可以保持极低的读出延迟。

温度感应、触觉传达等接近人体皮肤感应的传输反馈,是该项新兴AI技术的最大亮点,但是,当今产学研发展普遍存在的现状是:实验室科学技术从诞生到落地化量产是断层隔离式发展。技术很新但是产品应用价值低,赋能面窄,因此从实验室的技术研发,想要达到技术成熟产品落地,结合其工作原理,下一步需要考虑的,务必是科学材料和产品形态。

电子皮肤灵敏与否,材料是关键

在生活和工作中我们难免会遇到小磕小碰,皮肤接收到外部刺激以后,利用肌肉和神经将信号传输给大脑。“电子皮肤”的工作原理也是如此,通过具有可拉伸的、柔性的、具有导电性的高分子材料接收外部信息,如温度、湿度、压力等,外部刺激造成变化会导致材料的电阻、电容等电学特性发生改变,从而实现运动的响应。

而这类柔性、可拉伸的导电材料一般都是由特定的基质和导电介质之间的复合实现的,基质目前常用的就是凝胶和弹性体。导电介质一般依靠石墨烯、碳纳米管这类纳米材料。而且这些导电介质还可以实现信号的传输,这样就可以实现设备间的通讯。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的材料科学家罗杰斯发现,电子皮肤贴在头部附近,它便会记录脑电波,放在心脏附近便会获取心脏信息。试想一下,一个人把芯片放在喉咙的位置,附着在脖子上的设备可以检测说话的喉咙运动。这意味着另一个人不需要任何交流,便可以进行无声的信息交流,想想都觉得很刺激。

自1990s以来,科学家开始使用柔性电子材料来制备大面积、低成本和可印刷的传感器片,使得制备出的电子皮肤具有柔性和更有利于降低生产成本。2008年,鲍哲南教授团队开始电子皮肤方面的研究, 成为最早开展该领域研究的科研团队之一,鲍哲南也因在电子皮肤领域做出了重大贡献,被称为“人工电子皮肤”之母。

目前,鲍哲南团队在灵敏度、响应时间、压力感知、可拉伸性和透明性、自修复、会变色等特性上均有一定进展。除了鲍哲南团队以外,美国斯坦福大学、日本东京大学、中国科学院化学研究所、新加坡南洋理工大学等全世界众多科研单位的科研人员均在为人造的柔性压敏电子皮肤研究方向努力。但电子皮肤仍然在集成性、兼容性和更高灵敏性等方面存在许多挑战。

电子皮肤能够打通谁的任督二脉?

技术难关终究会有突破的一天,对于任何一项新兴技术来说,找到应用场景至关重要。一想到电子皮肤,大家最先想到的是能否应用在植皮手术中。电子皮肤移植到人体上,需要考虑皮肤内部和生理功能与结构的问题。如何让电子皮肤与人体正常皮肤和谐共生,是科学家需要攻克的壁垒。

在医疗领域,让电子皮肤进行生命特征检测可谓是“天作之合”。2018年,清华大学微纳电子系任天令教授团队研发出多层石墨烯表皮电子皮肤,该器件具有极高的灵敏度,可直接贴附于皮肤上以探测呼吸、心率、发声等人体信号,在运动监测、睡眠监测等方面具有重大应用场景。来自美国伊利诺伊大学香槟分校的材料科学家John A. Rogers研发的柔性电子皮肤能够持续监测颅内压和温度,对治疗创伤性脑损伤具有重要潜在应用。

电子皮肤的轻薄、灵活的特性在可穿戴设备领域更是可以大展拳脚,日本东京大学研究人员在柔性电子皮肤上创建出稳定的聚合物发光二极管(PLED)等器件,其可发出红、绿和蓝三种颜色的光。它与电子皮肤的集成有望把人的手背变成“数字屏幕”。未来,电子皮肤黏附在身体上,便可用来检测情绪、睡眠状况等身体特征。这便意味着,智能手环的地位岌岌可危。

当电子皮肤为机器人带来触觉功能的时候,其能够带来的影响力也是无穷的。机器人的视觉和触觉传感器均具有检测和识别的功能,两者互补可以为机器人提供可靠坚固的知觉系统。但触觉的发展进度远远慢于视觉,一部分原因是触觉传感器研究难度大,材料和机理的限制让触觉传感器更多停留在实验室阶段。一旦技术难关攻破,“电子皮肤”即触觉传感器便会在工业机器人和服务机器人等领域率先落地。

在工业机器人领域,尤其应用在精密仪器制造领域的工业机器人,如何精准地抓取东西至关重要。电子皮肤的柔韧性和压敏特性,可以让机器人既能够感知外部环境,又可以灵活地操纵各类事物。2018年11月,美国斯坦福大学的工程师们开发出一种含有传感器的电子手套,穿戴这种手套的机器人将能够在拇指和食指之间灵巧地握住一个鸡蛋,而不会压扁它们或者让它们滑落。

电子皮肤打通了机器人的触觉,能够让服务机器人更有“人情味”。在家庭场景,你的服务机器人会轻轻地将你叫醒,当你工作一天回到家中,他可以早早地将空调调成你认为最舒适的温度。在酒店餐饮领域,被装上了电子皮肤的服务机器人在给客人端茶送水的时候也能够提前感知杯子温度,在递到客人手里的时候也能够给与适当提醒,这些细节之处的变化都将会为服务机器人的行为举止更加具有“人情味”。当然,理想的丰满总会受到现实骨感的冲击,电子皮肤在机器人领域的落地依旧有很长的路要走。

科学家对于世界的好奇使得科技进步,每一项技术的突破都会攻克当前遇到的难题。电子皮肤的出现,能够让患者免受移植的痛苦,能够让残疾人的义肢也有了对外界的感知,更可以让机器人变得更灵活、更聪明、甚至有一天真的难以分辨机器人与人类的区别。当我们期待机器人变聪明的时候,是否真的做好准备迎接与机器人共生的世界了呢?


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