《人工触觉系统研究:机器人的触觉可能和人类一样快》

  • 来源专题:新一代信息技术
  • 编译者: isticzz2022
  • 发布时间:2024-05-22
  •        硬件的光学图像实现了人工触觉传入网络。硬件包括在手形聚酰亚胺膜上制造的人工受体阵列,以及将模拟信号转换为尖峰序列的PCB电路。乌普萨拉大学和卡罗琳斯卡研究所的研究可能为假手和机器人能够像人手一样感觉到触摸铺平道路。他们的研究已经发表在《科学》杂志上。

          这项技术还可以用于帮助中风患者恢复失去的功能。乌普萨拉大学电气工程系讲师张志斌说:“我们的系统可以像蒙着眼睛的人一样快速地确定它遇到了什么类型的物体,例如,只需感觉并决定它是网球还是苹果。”他和他的同事陈立波与乌普萨拉大学信号与系统部的研究人员(提供数据处理和机器学习专业知识)以及卡罗林斯卡研究所老年神经科神经生物学、护理科学与社会系的一组研究人员密切合作进行了这项研究。他们从神经科学中获得灵感,开发了一种模仿人类神经系统对触摸反应方式的人工触觉系统。该系统使用电脉冲,以与人类神经系统相同的方式处理动态触觉信息。张解释说:“有了这项技术,假手会感觉像是佩戴者身体的一部分。”

          该人工系统有三个主要组成部分:一个带有传感器的电子皮肤(e-skin),可以通过触摸检测压力;一组人工神经元,将模拟触摸信号转换为电脉冲;以及处理器,所述处理器处理所述信号并识别所述对象。原则上,它可以学会识别无限数量的物体,但在他们的测试中,研究人员使用了22种不同的物体进行抓取,使用了16种不同的表面进行触摸。光学图像中使用的22个物体的手抓握分类任务。领导这项研究的助理教授陈立波说:“我们也在研究开发这种系统,使它也能感觉到疼痛和热量。它还应该能够感觉到手接触的物质,例如,是木头还是金属。”根据研究人员的说法,由于触觉反馈,人类与机器人或假手之间的互动可以变得更安全、更自然。假肢还可以被赋予以与人手相同的灵活性处理物体的能力。陈说:“皮肤含有数百万个受体。目前的电子皮肤技术无法提供足够的受体,但这项技术使其成为可能,所以我们想为整个机器人生产人造皮肤。”这项技术也可以用于医学,例如,监测帕金森病和阿尔茨海默病引起的运动功能障碍,或帮助患者恢复中风后失去的功能。张说:“这项技术可以进一步发展,以判断患者是否即将摔倒。然后,这些信息可以用来从外部刺激肌肉以防止摔倒,也可以促使辅助设备接管并防止摔倒。”

  • 原文来源:https://techxplore.com/news/2024-05-artificial-tactile-robots-fast-humans.html?deviceType=mobile
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    • 【环球时报报道 记者 谷业凯】近日,由北京大学、北京通用人工智能研究院等单位组成的联合科研团队,开发出全球首个同时具备全手高分辨率触觉感知和完整运动能力的机器人手系统——“基于全手触觉的机器人仿生手”(简称F-TAC Hand)。相关成果北京时间6月9日在国际顶级学术期刊《自然·机器智能》上发表。研制“全手触觉机器人仿生手”要突破哪些技术难题?这个研究成果将对具身智能带来怎样的助力?针对相关问题,《环球时报》记者采访了联合科研团队的成员。 “全手触觉机器人仿生手”如何实现 手部既是人类改造自然、与外界交互的重要器官,也是实现智能的关键载体。人的手部由27块骨骼和34块肌肉组成,提供了24个自由度的灵活性,具有结构高度复杂、功能极为精密等特点。因此,对人类手部功能的研究是具身智能与机器人研究的前沿课题。据介绍,人的手部在拿取物体时涉及“触觉反馈”与“运动功能”两大能力。以往的研究中,触觉反馈与运动能力的整合被认为是机器人研究领域的关键挑战之一。 “人类手部触觉系统由两个关键要素组成:遍布皮肤的密集触觉传感器阵列和大脑中专门解释这些海量感觉输入的神经处理机制。我们的F-TAC Hand模拟了这种设计,将17个高分辨率触觉传感器以6种不同配置集成在一起,同时巧妙地将传感器设计为既是感知元件又是结构部件,从而在不牺牲灵活性的前提下实现了前所未有的触觉覆盖范围。”论文第一作者、北京大学人工智能研究院博士生赵秭杭向《环球时报》记者介绍道。高分辨率触觉传感器覆盖了该手部系统手掌表面70%的广大区域,空间分辨率达到0.1毫米,相当于每平方厘米约有1万个触觉像素,远超目前商用机器人手的触觉感知能力,如目前最先进的Shadow Hand仅在指尖提供单点力传感。这种创新设计使F-TAC Hand能够像人类手掌一样,在抓取过程中实时感知接触变化并迅速调整,极大提升了机器人在不确定环境中的操作稳定性。 让仿生手更“像”人手要突破哪些瓶颈 F-TAC Hand通过传感器与结构一体化设计成功突破了触觉反馈与运动能力整合这一瓶颈。首先,从硬件角度来看,如何避免触觉传感器的引入对机器人的运动灵活性造成影响是第一个难题,同时当前的触觉传感技术在覆盖率、分辨率和耐久性等方面仍难以满足实际应用需求。其次,即便获得了具备高分辨率触觉感知能力的机器人手,如何高效地处理大量的触觉数据,并以此驱动每个关节协同运动,使其在高自由度空间像人一样完成复杂的任务,依然是一个亟待解决的难题。 论文共同第一作者、北京通用人工智能研究院博士生李宇飏对《环球时报》记者表示:“机器人手高度的关节灵活性会给控制算法带来极大挑战,我们通过开发一种生成人类多样化抓取策略的算法来解决这一问题。该算法基于概率模型,能够产生与人类非常相似的抓取方式,涵盖了人类常见的19种抓取类型。” 李宇飏进一步解释了F-TAC Hand的适应性智能机制:“多物体同时抓取是评估机器人手灵巧性的重要基准测试,比单一物体要复杂得多。抓取单一物体可以通过双指夹持的方式实现,但当用一只手抓取多个物体时,需要做精确的全手接触检测并调整运动策略才能实现精准、稳定抓取。” 助力具身智能发展 论文通讯作者、北京大学人工智能研究院助理教授朱毅鑫向《环球时报》记者解释说:“我们的研究不仅是技术上的突破,更为理解智能的本质提供了全新视角。人类智能深深植根于身体的感知能力,尤其是手部的触觉体验对认知世界至关重要。F-TAC Hand的成果表明,丰富的感知能力对于机器智能的发展不可或缺。” 朱毅鑫表示:“未来我们将继续深化触觉感知与机器人控制的结合,探索更加智能的体感交互范式,为实现真正意义上的通用人工智能奠定基础。” 他进一步说道,F-TAC Hand的成功为具身智能开辟了新的研究方向,这种将高保真物理感知与智能控制系统结合的方法,代表了通向更高级别机器智能的重要路径。“通过这项研究,我们不仅推动了机器人技术的发展,也加深了对智能本质的理解,这对构建下一代人工智能系统具有重要启示意义,也将助力具身智能与千行百业融合发展,赋能我国经济、社会高质量发展,为发展新质生产力注入动能。”
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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2017-03-29
    • 近年来智能设备的快速发展使得人们对智能机器人等设备提出了更高的要求。不同于传统工业机器人的工作模式,智能机器人需要更自主的工作能力,这不但需要智能机器人有更优异的软件系统,同时其传感器也要更加智能化,触觉传感就是其中之一。      人类的触觉是一种高度复杂并且功能很多样的传感系统。开发具有相似功能的人工触觉系统的研究受到人们的持续关注。考虑到触觉的作用过程与摩擦运动的相似性,基于摩擦纳米发电机的触觉传感器不断被研究出来。这些研究主要集中在单一触觉领域的传感(例如接触觉、滑动触觉等),而人类的触觉却是多功能的集成系统。此外,人工触觉传感器仍然需要更智能化的设计。      最近,由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、曹霞教授指导的团队,通过结合单电极和双电极摩擦纳米发电机各自的优点,开发了一种多功能的综合触觉传感系统。这种新型多功能触觉系统综合了单电极摩擦纳米发电机在接触、定位等领域的优势,同时也利用了双电极模式在力学运动传感领域的优点,实现了对接触、相对硬度、触点位置以及接触外力的传感。该触觉传感器在40-140N的范围内,对外力有良好的线性响应。对触点具有2mm的平面分辨率。相关成果发表在ACS Nano期刊(DOI: 10.1021/acsnano.7b00396)。这项工作不但提出了一种多功能触觉传感系统的构筑方法,也进一步展示了摩擦纳米发电机在智能触觉传感领域的应用。