為什么說“不要跟機(jī)器人握手”?

半月談?dòng)浾?張漫子

與機(jī)器人握手，為何那么難?

嬰兒1周歲就可以抓鬮了，但讓一個(gè)機(jī)器人學(xué)會(huì)抓握，卻是上百篇頂刊論文都講不清楚的事。

科學(xué)家告訴我們，比起下棋像人、說話像人、走路像人，讓機(jī)器人拿起一只氣球或端起一只玻璃杯，是更難辦的事。“10年前，我們?nèi)镉芯湓挘?lsquo;不要跟機(jī)器人握手’。”北京理工大學(xué)柔性電子器件與智造研究所所長沈國震說。

為什么這么說?不知如何握手的機(jī)器人，與這個(gè)世界打交道的方式，究竟缺了什么?

沒有皮膚，真的不一樣

原來——

“過去機(jī)器人沒有觸覺，無法控制力道，與人握手不懂得什么時(shí)候松開手，一不小心可能會(huì)把人手部的骨頭捏碎。”沈國震的解答道出機(jī)器人研究的一大癥結(jié)——機(jī)器人身上少了一樣人類器官，而且是最大的那個(gè)：皮膚。

沒有皮膚，機(jī)器人就難以擁有發(fā)達(dá)的觸覺，電影史上經(jīng)典的機(jī)器人形象之一“剪刀手愛德華”，一不小心就發(fā)力傷人的場景，今日機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室里仍不鮮見。

也正因此，我們已經(jīng)津津樂道機(jī)器人寫作文、下象棋，但還聽不到機(jī)器人嫻熟完成家務(wù)活的消息。

觸覺，其實(shí)是多種感知信息的“合體”：接觸的位置、接觸力的大小和方向，接觸物(甚至未接觸物)的溫度，紋理、硬度……我們的皮膚可以極其精妙地捕捉這些信息的蛛絲馬跡并傳遞給大腦，我們?cè)S多習(xí)焉不察的反應(yīng)與動(dòng)作于是啟動(dòng)。

可以說，皮膚不只是身體表面一層將近2平方米的附著物，更是人與周遭世界的溝通紐帶、互動(dòng)方式。

那么，給機(jī)器人加一身皮膚怎么樣?機(jī)器人可以由此像人一樣感知環(huán)境、適應(yīng)環(huán)境嗎?

電子皮膚，到底什么樣

當(dāng)然，電影里的機(jī)器人不都像愛德華一般。

科幻電影《阿麗塔》的主角機(jī)器人阿麗塔雖然纖瘦，卻是一名“六邊形戰(zhàn)士”。她的戰(zhàn)斗力源自一身“黑科技”，其中就包括觸覺比人類還靈敏的電子皮膚。

對(duì)，電子皮膚。讓機(jī)器人全面感知自己的身體和周邊環(huán)境，電子皮膚已經(jīng)成為今日機(jī)器人學(xué)重要的研究領(lǐng)域。

機(jī)器人借助電子皮膚擁有觸覺后，就能更充分、精準(zhǔn)地讀取環(huán)境中的壓力信號(hào)，行動(dòng)也就更為靈活有效。一般而言，現(xiàn)在的機(jī)器人缺乏對(duì)物體精確的力量反饋，難以精準(zhǔn)抓握和操縱微小或柔軟的物體。而電子皮膚則可賦予未來的機(jī)器人一雙“巧手”，實(shí)施高精準(zhǔn)度的手術(shù)可能都不在話下。

那到底什么是電子皮膚呢?

沈國震介紹，人的皮膚由表皮、真皮、皮下組織構(gòu)成，電子皮膚也是類似的“三明治”結(jié)構(gòu)，由電極材料、活性材料、柔性襯底組成。電極材料作為電連接層，位于活性材料的兩側(cè)，接收和傳輸電信號(hào);活性材料的功能是將環(huán)境刺激轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào);柔性襯底則負(fù)責(zé)支撐電子皮膚并將其與機(jī)器人軀體貼合在一起。

開發(fā)一款電子皮膚，哪些問題必須解決?首當(dāng)其沖是材料“柔”的問題。電子皮膚的關(guān)鍵在一個(gè)“柔”字。能作為皮膚的材料必須是柔性、可拉伸的，而不是剛硬、易脆裂的。“繞指柔”何以可能?

科學(xué)界現(xiàn)在有三種探索方向。第一種著眼于物理柔性，努力開發(fā)尺度更小的材料。比方說，柔軟又有高度生物相容性的納米硅就可以作為生化傳感器，一定程度實(shí)現(xiàn)皮膚功能。第二種則寄望于結(jié)構(gòu)柔性。努力開發(fā)金屬等物質(zhì)的各種新奇力學(xué)結(jié)構(gòu)，彈簧、螺旋、蛇形……將傳統(tǒng)硬質(zhì)材料改造為具備良好的拉伸、彎曲能力的新材料。還有的科學(xué)家試圖突破本征柔性，通過高分子工程改變聚合物材料性質(zhì)，使其具備高拉伸特性，甚至兼具自我修復(fù)功能。

開發(fā)電子皮膚，還得在感知功能上下功夫。傳感是機(jī)器感知環(huán)境的基礎(chǔ)，感知壓力、溫度，判斷觸摸的不同物體，分辨手里拿的究竟是一顆桃子還是一顆雞蛋，無不需要傳感器。觸覺傳感器要盡可能充分地獲得相接觸物體表面種種特性，對(duì)傳感靈敏度要求尤高。

沈國震團(tuán)隊(duì)研發(fā)的柔性可延展多功能電子皮膚，可用于人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

此外，傳感器捕捉到的信號(hào)如何高效傳輸，也是問題。關(guān)鍵就在于，如何讓信號(hào)在傳輸?shù)綑C(jī)器人“大腦”的過程中盡量少有耗損?

電子皮膚，我們也來一套？

實(shí)際上，電子皮膚不止是機(jī)器人的下一代裝備，我們?nèi)祟愖约阂?ldquo;值得擁有”。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)方興未艾的今天，電子皮膚可能是人類漫游元宇宙的重要助力。在虛擬世界中，電子皮膚能最大限度地還原觸覺，不僅使人能近乎真實(shí)地“摸”到虛擬物體，甚至能還原清風(fēng)、水流、火焰帶給人們的感覺，極大提升沉浸感和真實(shí)感。

此外，對(duì)于燒傷燙傷患者、截肢患者來說，電子皮膚可使他們重獲觸覺，繼續(xù)享受美好生活。

對(duì)于身心健全的普通人而言，電子皮膚能幫什么忙?“它可以起到一種人體健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的作用。電子皮膚與人體直接接觸，能夠藉由高精度傳感器直接測(cè)量我們身體數(shù)據(jù)(比方說心率、體溫、血糖、血壓)的實(shí)時(shí)情況，相當(dāng)于精密程度躍升的‘健康手環(huán)’。”沈國震說，目前這類技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也將逐步進(jìn)入市場。

其實(shí)，科學(xué)家還有更大膽的想法——能不能將智能手機(jī)的功能融入電子皮膚?如果電子皮膚的傳感器足夠敏銳、電路暢通且性能穩(wěn)定，通過“點(diǎn)擊”電子皮膚的不同位置來收發(fā)消息、接撥電話，是不是也順理成章?

也許到那時(shí)，我們真的就可以丟下手機(jī)，輕裝出門了。