新加坡大學(xué)研發(fā)首個(gè)擁有像人一樣的觸感智能泡沫

隨著人工智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用，雖然機(jī)器人越來(lái)越智能化，但是卻不能像人類(lèi)一樣擁有靈敏的觸覺(jué)和感知環(huán)境的能力。

近日，新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的研究人員發(fā)明了一種智能泡沫，它不僅擁有像人一樣的觸感，還提供了更多的人機(jī)互動(dòng)可能性。

2020 年 11 月 12 日，相關(guān)研究以《人工支配的自修復(fù)泡沫作為合成壓電阻抗傳感器外殼》（“Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins” 為題發(fā)表在《自然?通訊》上。

這種新材料被叫做 AiFoam，也叫 “人工神經(jīng)支配泡沫 。據(jù)了解，AiFoam 質(zhì)地柔軟如海綿。相對(duì)其他傳統(tǒng)材料，它擁有 “多面手” 特質(zhì)，不僅擁有和人類(lèi)相同的觸覺(jué)，還可以在有距離前提下 “感知” 附近的物體。

最神奇的是，這種智能泡沫在表面受損的情況下，能進(jìn)行自我修復(fù)，這為機(jī)器人的智能化和互動(dòng)性提供了更多可能。

這種突破性的材料的研發(fā)歷時(shí)兩年，由 NUS 材料科學(xué)與工程系助理教授本杰明?泰（Benjamin Tee）和健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所（iHealthtech）團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。

本杰明?泰在接受媒體采訪時(shí)表示，“我們希望證明在機(jī)器人能夠復(fù)制人類(lèi)的觸覺(jué)，這為人與機(jī)器之間的交互作用開(kāi)辟了新的范式。”

有觸覺(jué)、能感知、受損會(huì)自動(dòng)修復(fù)的“多面手”

觸感是人類(lèi)獨(dú)特的感官能力，能使人們?cè)诓皇煜さ沫h(huán)境中，也能有效地進(jìn)行物體操作。如果機(jī)器人也具備同樣的功能，機(jī)器人的動(dòng)作就可以變得更加平穩(wěn)、安全、可預(yù)測(cè)。

以清潔機(jī)器人和服務(wù)員機(jī)器人等機(jī)器為例，如果它們從遠(yuǎn)處就可以確認(rèn)識(shí)別人的位置，并使用人工智能信息推測(cè)人類(lèi)的意圖，那么它們可以更快地做出反應(yīng)，并且在擁擠的地方也能避免與人發(fā)生碰撞。

盡管目前，一些先進(jìn)的電子皮膚在直接與物體接觸時(shí)可以 “感知” 到壓力，但尚未有相關(guān)研究成果顯示有材料能感知附近物體的運(yùn)動(dòng)方向，因?yàn)檫@在復(fù)雜的感知能力技術(shù)上有更高的要求。NUS 團(tuán)隊(duì)決定針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，以破解此技術(shù)難題。

像 “變魔術(shù)” 一樣具有柔軟可塑性

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，“AiFoam 是一種高彈性聚合物，它通過(guò)將類(lèi)似于聚四氟乙烯的物質(zhì)（稱(chēng)為氟聚合物）與可降低表面張力的表面活性劑混合而制成的?！?實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把這種材料分成幾塊時(shí)，很容易再融合成一體。為使泡沫能感應(yīng)人手指等電容性物體的存在，該研究團(tuán)隊(duì)在材料中注入了一種微小的金屬顆粒。

這種泡沫與相對(duì)于傳統(tǒng)的薄片材料，更具有敏感性。研究人員還發(fā)現(xiàn)，泡沫的柔軟程度也具有可塑性，他們通過(guò)控制空氣與材料的比例，可以像 “變魔術(shù)” 一樣尋找最適合的比例。與其他常見(jiàn)的電子皮膚材料（例如有機(jī)硅）相比，該泡沫材料能夠更好地感知人的存在。

實(shí)際上，AiFoam 可以從幾厘米以外檢測(cè)到人類(lèi)手指的存在。該技術(shù)的核心在于材料擁有 “特殊配方”，使其能更有效地檢測(cè)人的存在，這與其他類(lèi)似的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。傳感器的感知因其利用光線和反射原理，經(jīng)常導(dǎo)致較高的誤報(bào)率，而 AiFoam 則不是這樣的情況。

那么，智能泡沫又是如何做到復(fù)制人類(lèi)皮膚中敏感的神經(jīng)末梢呢？研究團(tuán)隊(duì)表示，“在泡沫表面下方嵌入細(xì)小的圓柱狀電極，它們不僅能檢測(cè)改變力的大小，還可以控制力的方向。這將使機(jī)器人能更好地理解人的意圖，或者提前預(yù)判接觸的物體即將滑落，從而使它們可以更快、更適當(dāng)?shù)刈龀龇磻?yīng)?！?/p>

有望實(shí)現(xiàn)更多人機(jī)交互可能性

此外，泡沫中的表面活性劑也有神奇的作用，不僅能在被切割后自動(dòng)修復(fù)，還能被拉伸兩倍以上（230％）。據(jù)研究人員介紹，“在四天內(nèi)將其加熱至 70 攝氏度，該材料愈合了大約 70％，并且仍可以拉伸到其長(zhǎng)度的幾乎兩倍（180％）?！?/p>

據(jù)了解，NUS 團(tuán)隊(duì)希望將 AiFoam 應(yīng)用于機(jī)器人和假肢等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間更多交互的可能性。

研究人員表示，“ 通過(guò)使用特殊配方的泡沫，我們可以輕松地感知壓力和接近度。AiFoam 的自我修復(fù)特性以及對(duì)接觸力的敏感性，將使機(jī)器人能更好地判斷人類(lèi)的意圖。我們將打造出新一代的機(jī)器人，以能對(duì)環(huán)境變化做出快速、有效的反應(yīng)。”

參考：

https://news.nus.edu.sg/nus-researchers-create-aifoam-for-robots-to-interact-intelligently-with-their-surroundings/doi.org/10.1038/s41467-020-19531-0

編輯：jq