仿生系列5--谁的手更敏感

手是人体最“多才多艺”的器官，我们通过手上的皮肤来感知周围的世界，那么，机器人的人造皮肤是否也能够用来感知周围环境呢？

人类从幼儿时代开始就喜欢触摸各种物体，从可爱的塑料玩具到烫手的电炉，好奇心压倒一切，因为人类需要通过触摸去了解不同物体表面的质感，以及感知温度和疼痛，对外界环境和规律的感知不是人类与生俱来的，必须通过皮肤的触摸去学习。

在我们的皮肤中大约有500万个神经感受器，也就是所谓的感觉细胞，它们分布于大约1.5m2~2m2的面积之内，它们让我们能够感知外部世界，包括轻微触碰、疼痛、寒冷以及温暖等。仿生机器人希望模拟人类当然需要类似的感觉器官，为此，科学家正试图为机器人设计人造皮肤，并且目前已经取得了一些成效，已有的人造皮肤不仅比人类皮肤反应更快，而且还能够具有一些特殊的功能。

 
更智能的触觉：机器人需要更复杂的传感器

触觉对于人形机器人来说非常重要，因为它们最终将被用于负责完成一些人类的工作，例如在家中或者医院照顾老年人。此时，它们需要有准确的触觉，才不至于在拿起一个玻璃杯时将杯子捏破。如果不细想的话，或许我们会认为机器人应该很容易做到不犯这样的错误，表面上看机器人利用头上的光线传感器和手指上的压力传感器应该能够处理好这两项工作，光传感器扫描房间并且鉴定物体，压力传感器根据扫描的结果判断用多大的力量抓起杯子即可。这与人类在普通情况下拿起一个杯子时所做的事情一样，人们首先通过眼睛观察杯子，大脑迅速地判断物体的材料、重量，并控制身体以适当的力气拿起它。不过，根据慕尼黑技术大学工程师Philipp Mittendorfer的介绍，人和机器人之间有一个很大的区别，那就是当玻璃杯被另外一件物体遮盖时，例如一块布盖住了玻璃杯，人仍然能够正常地拿起它。而机器人如果仅凭上面介绍的光线传感器和压力传感器，则无法完成这一项任务，因为它无法通过光线传感器识别这是一件什么物体，当然也就无法控制压力传感器以正确的力量抓取它。而人生下来就开始学习通过触觉去感知物体，人们能够通过经验判断布下面盖住的是什么。而机器人如果要模仿人类的这一操作，则需要让机器人和人类一样拥有能够感觉物体材质、温度的器官，按照目前的仿生机器人技术水平，这将需要很多种传感器才能实现。

科学家目前正努力地研究这些传感器，根据Philipp Mittendorfer的介绍，目前工程师已经可以使用32位处理器PIC32来驱动一个5cm2大的模块来模仿皮肤，这种模仿人体皮肤触摸功能的模块由多种传感器组成，其中包括温度传感器和感知震动的加速度传感器以及红外线距离感应器。每一个模块都需要经过独立的编程和校准，才能够适应机器人的系统。在数量比较少的情况下，这种模块能够工作得很好。但是由于每一个模块都需要编程和手动调整，而盖住机器人整个身体的人造皮肤将起码需要几百到数千个模块，毫无疑问，这将是一个浩大的工程。此外，作为人造皮肤的一部分，所有的模块还需要链接成一个整体，需要调整这些模块实现协同工作，这无疑将更加复杂。
 

 
自我意识：该在哪里停下来

将独立的模块组成一张人造皮肤，必须将所有的模块链接起来，建立彼此间的联系。在此情况下，模块将不直接向机器人的计算系统发送信息，而是通过邻近的模块发送。每一个模块需要有自己的身份编码，让系统能够了解数据的来源。当某个模块出现故障时，系统还可以切换至故障模块邻近的模块，继续采集需要的数据。与人类相比，机器人计算系统能够以更快的速度响应来自模块的信号，人类神经系统信号传输和响应的时间大概需要200ms~300ms，而机器人系统与模块之间的信号传输只需要2ms~3ms。不同的是人类具有超前意识，而并不是像机器人一样，所有的行动都必须在传感器获取信号后再通过系统检索编程模型的相关指令才能继续运作。

将模块链接成真正的人造皮肤之后，其作用绝不仅仅是感知环境。通过人造皮肤，机器人能够将意识传达到全身，并结合模块采集周围的环境数据，这样机器人将能够学习认识自己。这将是迈向智能机器人的重要一步，因为只有这样机器人才能够清楚自己应该如何行动。迄今为止，仿生机器人进入到医院照顾病人的一大障碍是无法很好地解决碰撞问题，因为在没有人造皮肤的情况下，机器人无法知道在当前的环境下机器臂不能再提高了，甚至它的腿断了，也仍然会继续按照以往的方式运动。而这一切在有了人造皮肤后将完全改变，按照Philipp Mittendorfer的说法，人类在幼儿时期同样需要通过不断的学习，自我认识、自我体验和自我控制，学会走路并学会在什么地方应该停下来。而机器人在有了皮肤之后，也能够做到，也可以通过皮肤感知周围的环境，并可以感觉到自己身体各部分目前的状况。不过，前提条件是人造皮肤的触觉模块必须能够覆盖机器人的全身，以目前的仿生机器人技术来说，这将需要一些时间，首先必须将模块设计得足够小且灵活，而目前，研究人员在机器人身上最多也只能安装31个模块来进行测试。

总的来说，人造皮肤是仿生机器人研究的重要一步，未来，机器人将通过人造皮肤感知温度的变化，实现触摸功能并避免碰撞，能够与人和各种交互对象更好地互动。不过，要造出像人类皮肤一样的人造皮肤并不容易，下一步的工作，将是设计可以弯曲和附在机器人身体上的模块，以适应更小的传感器和更细致的逻辑程序。不过，拥有触感的机器人已经离我们不远了，或许，很快将能够让它们来为我们做饭。