近日，香港城市大學(xué)教授于欣格團(tuán)隊(duì)給機(jī)器人披上了會(huì)痛的皮膚，他們研發(fā)出一款名為 NRE-skin 的神經(jīng)形態(tài)機(jī)器人電子皮膚，可以像人類皮膚一樣感受觸覺，還能主動(dòng)感知疼痛和受傷，讓機(jī)器人擁有接近人類的感知能力和自我保護(hù)能力。

他們把 NRE-skin 安裝在一個(gè)仿人機(jī)器人上進(jìn)行演示。當(dāng)被輕輕觸摸時(shí)，機(jī)器人的臉會(huì)露出微笑；當(dāng)壓力增大到不適程度時(shí)，它會(huì)露出苦惱的表情；當(dāng)壓力超過痛苦閾值，它的手臂皮膚會(huì)立刻觸發(fā)痛覺反射動(dòng)作，同時(shí)臉上呈現(xiàn)出痛苦表情，完美模擬了人類的觸覺-反射鏈條。

論文第一作者高育育博士告訴 DeepTech：“我們希望機(jī)器人觸覺感知能力的提升能夠極大增強(qiáng)它的交互能力，使其在走入家庭后在執(zhí)行諸如做家務(wù)、照顧老人、陪伴小孩時(shí)等與人類近距離交互的任務(wù)時(shí)更加安全和靈敏，從而友好地服務(wù)于人類?！?/p>

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

讓機(jī)器人受傷時(shí)會(huì)喊疼

據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)最亮眼的地方在于讓機(jī)器人擁有了痛覺感知和損傷感知。

在 NRE-skin 中，于欣格團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)疼痛中心。當(dāng)外部對皮膚施加過大的機(jī)械刺激時(shí)，皮膚的類神經(jīng)架構(gòu)會(huì)將刺激轉(zhuǎn)化為脈沖并且持續(xù)積累，當(dāng)累積超越設(shè)定閾值，即相當(dāng)于人類感知疼的界限，痛覺信號就會(huì)被觸發(fā)，NRE-skin 會(huì)發(fā)出一個(gè)強(qiáng)烈的疼痛信號。

這個(gè)疼痛信號擁有最高優(yōu)先級。它不會(huì)像普通觸摸信號一樣慢慢傳遞到機(jī)器人的大腦也就是主處理器去分析，而是像人類的反射弧一樣直接抄近路送到機(jī)器人的肌肉也就是局域電機(jī)控制器里。于是，機(jī)器人會(huì)在毫秒級的時(shí)間內(nèi)做出縮手和躲避等保護(hù)性動(dòng)作，完全無需中央程序干預(yù)。之后，中央處理器才會(huì)接收到疼過了的通知，讓機(jī)器人做出相應(yīng)的表情比如痛苦臉和后續(xù)行為等。

此外，也可以調(diào)節(jié)這塊皮膚的敏感度。對于機(jī)器人需要精細(xì)操作的手指部分，可以設(shè)置得敏感些也就是痛苦閾值較低；而對于軀干等不那么脆弱的部位，可以設(shè)置得皮實(shí)些也就是痛苦閾值高。

人的皮膚劃傷了，我們會(huì)持續(xù)持續(xù)感到疼痛，從而知道哪里需要保護(hù)。機(jī)器人皮膚被割壞怎么辦？對于傳統(tǒng)電子皮膚來說，它們可能已經(jīng)“死”了卻無法自知。

NRE-skin 則有一個(gè)巧妙的自我檢查功能。在每個(gè)傳感器內(nèi)部，都設(shè)有一個(gè)生命電阻。在正常情況下，即使沒有外部觸摸，它也會(huì)每隔幾十秒產(chǎn)生一個(gè)生命脈沖，就像心跳一樣告訴系統(tǒng)自己還活著以及功能依然正常。

而一旦皮膚某處被嚴(yán)重割傷或損壞，那里的電路就會(huì)斷裂，生命脈沖也會(huì)隨之消失。系統(tǒng)內(nèi)置的計(jì)時(shí)器在超過一定時(shí)間比如 300 秒沒有收到某個(gè)點(diǎn)的心跳后，就會(huì)判斷這一點(diǎn)處于受傷狀態(tài)，并持續(xù)發(fā)送損傷信號的報(bào)警。這樣一來，機(jī)器人立刻就能知道自己的皮膚被劃傷了，并提醒人類進(jìn)行維護(hù)。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

給機(jī)器人裝上活皮膚，一摸就知位置，還能快速修復(fù)

NRE-skin 的核心靈感來自于人類自身的皮膚和神經(jīng)系統(tǒng)。它不再只是被動(dòng)地傳送信號，而是模仿了人類神經(jīng)末梢主動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號的方式。皮膚上每一個(gè)微型壓力傳感器都連接一個(gè)脈沖發(fā)生器，當(dāng)受到按壓的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一連串電脈沖，按得越重、脈沖頻率就越高。

這塊皮膚擁有一套三層密碼系統(tǒng)，能夠精確地告訴機(jī)器人哪里被觸摸到了。它被劃分成為許多小格子也就是像素點(diǎn)。于欣格團(tuán)隊(duì)為每個(gè)點(diǎn)的信號設(shè)計(jì)了三種可以調(diào)節(jié)的特征：脈沖形狀、脈沖寬度和脈沖高度。

在第一層里，整塊皮膚會(huì)被分為幾個(gè)大區(qū)比如左上和右上等。每個(gè)大區(qū)的信號脈沖形狀不一樣，有的是尖峰狀，有的是圓頂狀。系統(tǒng)一看到脈沖形狀，就知道刺激發(fā)生在了哪個(gè)大區(qū)。

在第二層里，在每個(gè)大區(qū)內(nèi)部，再被分成幾個(gè)小區(qū)。不同小區(qū)的脈沖信號寬度不同，有的短促只有 1 毫秒，有的稍長大約為 1.5 毫秒。

在第三層里，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)的每個(gè)獨(dú)立像素點(diǎn)，都被賦予了一個(gè)獨(dú)特的脈沖高度比如 0.5 伏。

通過這樣從粗到細(xì)的三層密碼解碼，機(jī)器人瞬間就能知道到底是哪一個(gè)具體的小點(diǎn)被觸摸了。而且，所有信號最后可以合并到一條通道里輸出，讓大面積鋪設(shè)皮膚成為可能。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

機(jī)器人如果磨損或損壞皮膚，也能像換手機(jī)殼一樣快速更換。NRE-skin 采用了磁性快拆接口設(shè)計(jì)。每塊皮膚模塊的邊緣都裝有微型磁鐵和電極。當(dāng)需要更換的時(shí)候，只需要把損壞的那片輕輕撕下，然后將一片完好的新皮膚靠磁力吸上去，電路和機(jī)械連接就自動(dòng)完成了。新皮膚接上之后，會(huì)先進(jìn)行一輪自我檢查，確認(rèn)所有像素單元正常之后，便會(huì)立馬投入工作。

此外，每塊皮膚還有自己獨(dú)特的身份 ID 信息也就是高頻特征峰，當(dāng)多塊皮膚拼接成為一個(gè)大面積皮膚的時(shí)候，中央處理器可以清晰地區(qū)分信號來自于哪一塊，從而可以實(shí)現(xiàn)無縫協(xié)同工作。

圖 | 從左到右：于欣格、高育育（來源：受訪者）

高育育表示，本次研究始于對兩個(gè)核心問題的關(guān)注。

首先，在人口老齡化導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺的背景下，機(jī)器人進(jìn)入家庭提供協(xié)助是必然趨勢，但現(xiàn)有機(jī)器人普遍缺乏觸覺感知能力，在與人交互時(shí)容易因不知輕重而造成傷害。因此，賦予機(jī)器人觸覺能力是首要前提。

其次，僅具備基礎(chǔ)觸覺還不夠，機(jī)器人還需要擁有痛覺和傷口感知能力，以實(shí)現(xiàn)與人的共情。例如，機(jī)器人雖能拿起高溫或尖銳物品，但必須理解這些物品對人可能構(gòu)成的危險(xiǎn)，才能以安全、友好的方式遞交給人類。只有機(jī)器人自身具備傷害感知能力，才能從人的視角出發(fā)思考交互過程。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

他繼續(xù)說道：“研究過程中，一個(gè)讓我印象深刻的挑戰(zhàn)是電子皮膚陣列化帶來的連線復(fù)雜性問題。陣列越多、連線越龐雜，后端理線也會(huì)極其麻煩。”

在探尋解決方案時(shí)，他深入了解了生物學(xué)知識，驚嘆于人體皮下神經(jīng)連接的精妙與高效。人體皮膚末梢的神經(jīng)分支通過樹狀結(jié)構(gòu)層層級聯(lián)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對信號進(jìn)行預(yù)處理，最終僅通過寥寥幾根主要的傳入神經(jīng)就將信息傳遞到大腦。

這種高效、精簡的結(jié)構(gòu)給了高育育極大的啟發(fā)，促使他決心完全模擬這一傳遞流程。正是受此啟發(fā)，才設(shè)計(jì)出僅用六個(gè)接口就能實(shí)現(xiàn)皮膚模塊擴(kuò)展與拼接的方案。

高育育表示，采用類神經(jīng)脈沖進(jìn)行觸覺傳輸并非首次，但關(guān)注機(jī)器人的痛覺能力屬于較早的探索。當(dāng)前普遍觀念認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)無所畏懼，因此較少關(guān)注其是否需要痛覺。而在主動(dòng)傷口識別方面，據(jù)高育育所知，本研究應(yīng)是首個(gè)專注于該方向的工作。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

“皮膚作為人體最大的器官，也將是機(jī)器人最重要的器官之一，賦予其擬人化的觸覺與感知能力是剛需，市場潛力巨大且技術(shù)方案尚未形成共識。我希望能在此領(lǐng)域貢獻(xiàn)自己的力量，加速機(jī)器人獲得這些關(guān)鍵能力，從而更好地與人類共存協(xié)作?！彼詈笳f道。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122