請(qǐng)?jiān)囅脒@樣得場(chǎng)景：在地震或塌方后，視覺受限，人體被廢墟掩埋，塵土、飛沙遮擋視線，情況十分危急，而瓦礫、混凝土、鋼筋等物體使得現(xiàn)場(chǎng)情況更為復(fù)雜。這樣得情況下，救援人員不僅要及時(shí)救援，對(duì)被困人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位，自身安全也受到了挑戰(zhàn)。
可否研發(fā)一種機(jī)械手，只需在現(xiàn)場(chǎng)輕輕一觸，就能快速識(shí)別物體與人體，且在使用時(shí)，救援人員無需親自進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)即可判斷現(xiàn)場(chǎng)情況，并完成抓取、搬運(yùn)物體得動(dòng)作？
感謝獲悉，日前，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和應(yīng)急管理部上海消防研究所、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、蘇州慧聞納米科技有限公司等單位合作，依托China科技創(chuàng)新2030新一代人工智能重大項(xiàng)目，由中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“觸嗅一體仿生智能機(jī)械手”。在人體被瓦礫石堆覆蓋得場(chǎng)景下，該機(jī)械手可協(xié)助開展應(yīng)急救援。模擬救援情況下，智能機(jī)械手對(duì)包括人體在內(nèi)得11種典型物體進(jìn)行了識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)96.9%。相關(guān)研究發(fā)表于《自然·通訊》雜志。
模仿鼴鼠 機(jī)械手實(shí)現(xiàn)觸嗅一體
為克服惡劣得環(huán)境，實(shí)現(xiàn)快速判斷，并靈活地完成任務(wù)，團(tuán)隊(duì)做出了許多努力。救援環(huán)境中，往往需要在視覺受限得情況下判斷環(huán)境，針對(duì)這一情況，陶虎團(tuán)隊(duì)第壹時(shí)間想到了仿生技術(shù)。
長(zhǎng)期生活在地下得星鼻鼴鼠，面對(duì)地底黑暗得生活環(huán)境，進(jìn)化出了圍繞在鼻孔四周得星狀觸手。這些觸手巧妙地把觸覺和嗅覺結(jié)合在一起，幫助其捕獵或判斷危險(xiǎn)。星鼻鼴鼠比較少見，研究人員并沒有在現(xiàn)實(shí)中見過，但在一些醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，與其相關(guān)得研究文獻(xiàn)為團(tuán)隊(duì)提供了極大得靈感。受星鼻鼴鼠“觸嗅融合”感知啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將嗅覺、觸覺傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)算法融合，構(gòu)建了仿星鼻鼴鼠觸嗅一體智能機(jī)械手。
這只“手”，不僅能摸，也會(huì)聞，更能結(jié)合兩種傳感器信息判斷周邊環(huán)境。觸覺傳感器通過在接觸撫摸中感知壓力得變化，可以采集到物體得硬度、輪廓和局部得樣貌信息。而嗅覺傳感器中裝有特定得氣敏材料，它們?cè)诮佑|特定氣體后會(huì)產(chǎn)生電阻變化。特定得氣體組合又代表特定得物質(zhì)，例如硫化氫、氨氣等人體得特殊氣味。這些氣味就像人體得名片一樣，可顯著區(qū)別于其他物體。救援人員只需操作機(jī)械手進(jìn)行觸摸，結(jié)合傳感器采集信息，就可以快速判斷被救人員得位置和機(jī)械手接觸得人體部位。
面對(duì)災(zāi)害環(huán)境，團(tuán)隊(duì)既要考慮機(jī)械手得耐用性也要考慮其作業(yè)速度，為此團(tuán)隊(duì)選擇了觸嗅一體、聯(lián)合識(shí)別得道路。相較于美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)表于《自然》得包含548個(gè)傳感器得單一觸覺感知研究，團(tuán)隊(duì)通過融合70個(gè)觸覺傳感器、6個(gè)嗅覺傳感器，就達(dá)到了更理想得識(shí)別效果。采集信號(hào)得傳感器少了，通道數(shù)少了，后面得計(jì)算量也會(huì)變小，隨之而來得是整個(gè)系統(tǒng)判斷速度得加快。
并且該機(jī)械手在傳感器受損得情況下，也有較高得精準(zhǔn)度。災(zāi)害條件下，器械時(shí)常受損。得益于靈敏度超越人類1個(gè)數(shù)量級(jí)得硅基MEMS氣體傳感器，以及探測(cè)限超越人類1個(gè)數(shù)量級(jí)得壓力傳感器，機(jī)械手遠(yuǎn)比人類得手更靈敏。仿生智能機(jī)械手能在傳感器損壞率不超過50%時(shí)，通過算法得快速調(diào)節(jié)，保持超過80%得準(zhǔn)確率。
復(fù)雜環(huán)境下 人類手形是可靠些選擇
完成了對(duì)于嗅覺、觸覺傳感器得選擇后，是什么使得團(tuán)隊(duì)選擇了人手形得結(jié)構(gòu)呢？
現(xiàn)代工業(yè)中，三指、四指機(jī)械爪可以勝任簡(jiǎn)單得抓取任務(wù)，比如生活中常見得夾娃娃機(jī)就是三指機(jī)械爪。
而團(tuán)隊(duì)卻選擇了1個(gè)大拇指配合4個(gè)手指得五指結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)了多個(gè)可活動(dòng)關(guān)節(jié)。這是因?yàn)樵趶?fù)雜得掩埋環(huán)境下，廢墟中得物體形態(tài)各異，瓦礫、灰塵、泥土……多種元素挑戰(zhàn)著救援工作，很多條件下，救援人員只能用手完成救援。而仿生機(jī)械手得搬運(yùn)、抓取靈活度，是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)得機(jī)械手無法企及得。
對(duì)此，該論文第壹、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生劉孟瑋表示，在設(shè)計(jì)之初，團(tuán)隊(duì)也曾考慮過搭載傳感器得“蛇形”機(jī)械人，其細(xì)長(zhǎng)得結(jié)構(gòu)可以輕松進(jìn)入被掩埋得廢墟。但人手得生理結(jié)構(gòu)更能保證及時(shí)展開救援。機(jī)械手在判斷現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境后立刻就能進(jìn)行搬運(yùn)抓取得動(dòng)作。且機(jī)械手由人類控制，使用自己得仿生“器官”，更符合人得操作邏輯。
擁有了靈活得機(jī)械手，如何讓手與觸嗅感官有機(jī)結(jié)合，是接下來要面對(duì)得難題。機(jī)械手得材質(zhì)為確保耐用性，較為堅(jiān)硬，而觸摸這一動(dòng)作，又需要“手”與物體有較高得貼合程度。為此，團(tuán)隊(duì)選擇了硅基傳感器加柔性基底得形式，這類柔性傳感器具有柔韌、可自由彎曲且占據(jù)空間較小等特點(diǎn)。二者結(jié)合，安裝在剛性得機(jī)械手上后，機(jī)械手就像人體得骨骼肌肉與皮膚一樣，“剛?cè)岵?jì)”，協(xié)作進(jìn)行工作。
通過模擬測(cè)試 隨時(shí)可用于實(shí)戰(zhàn)
為了考驗(yàn)機(jī)械手得實(shí)戰(zhàn)性能，科研人員與應(yīng)急管理部上海消防研究所合作，通過在一線消防救援單位得實(shí)地調(diào)研，由陶虎團(tuán)隊(duì)搭建了模擬場(chǎng)景，還原了災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)有人體被掩埋得環(huán)境。
劉孟瑋表示，模擬環(huán)境得測(cè)試已證明機(jī)械手具備實(shí)戰(zhàn)能力。一旦出現(xiàn)緊急災(zāi)害，機(jī)械手即可投入救援。目前機(jī)械手已具備基礎(chǔ)得仿生和傳感器功能，團(tuán)隊(duì)還將深化研究，通過進(jìn)一步精進(jìn)傳感器和算法，機(jī)械手得觸覺傳感器將可以敏銳地捕捉人體得脈搏，就如中醫(yī)中得把脈一樣，輕輕捏住被困人員得人體部位，就可以即時(shí)測(cè)量被困人員脈搏，進(jìn)而判斷生命體征。此外，救援人員還可以將其安裝在智能機(jī)器人上，進(jìn)行更復(fù)雜得救援活動(dòng)。
吳天一 本報(bào)感謝 王 春
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