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能够感受疼痛的人造皮肤可能会催生新一代触摸敏感机器人
2022年06月05日    阅读量:1070    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

一种可以从“疼痛”中学习的电子皮肤可以帮助创造出新一代具有类人敏感性的智能机器人。

格拉斯哥大学的一个工程师团队开发了这种人造皮肤,该皮肤具有一种基于“突触晶体管”的新型处理系统,该系统模拟大脑的神经通路以进行学习。使用智能皮肤的机器人手显示出非凡的学习对外部刺激作出反应的能力。

在今天发表在《科学机器人学》杂志上的一篇新论文中,研究人员描述了他们是如何构建原型计算电子皮肤(e-skin)的,以及它是如何改进触摸敏感机器人的当前技术水平的。

几十年来,科学家们一直致力于构建具有触觉敏感性的人造皮肤。一种被广泛探索的方法是在电子皮肤的表面分布一系列接触或压力传感器,以允许它在与物体接触时进行检测。

然后,来自传感器的数据被发送到计算机进行处理和解释。传感器通常会产生大量数据,这些数据需要时间才能正确处理和响应,从而导致延迟,这可能会降低皮肤在实际任务中的潜在有效性。

格拉斯哥团队的新型电子皮肤从人类外周神经系统如何解读皮肤信号以消除延迟和功耗中获得灵感。

一旦人类皮肤接收到输入,周围神经系统就开始在接触点对其进行处理,在将其发送到大脑之前,将其还原为仅为重要信息。这种感觉数据的减少允许有效地使用将数据发送到大脑所需的沟通渠道,然后大脑几乎立即做出反应,让身体做出适当的反应。

为了构建一个能够进行高效计算的类突触反应的电子皮肤,研究人员将由168个由氧化锌纳米线制成的突触晶体管组成的网格直接印刷在柔性塑料表面上。然后,他们将突触晶体管与完全铰接的人形机器人手掌上的皮肤传感器相连。

当触摸传感器时,它会记录其电阻的变化鈥攁 微小的变化对应着轻微的接触,而较硬的接触会产生较大的电阻变化。这种输入被设计成模仿人体中感觉神经元的工作方式。

在早期的电子皮肤中,输入数据将被发送到计算机进行处理。相反,内置在皮肤中的电路充当人工突触,将输入降低为一个简单的电压尖峰,其频率根据施加在皮肤上的压力水平而变化,从而加快反应过程。

研究小组利用该电压尖峰的不同输出来教会皮肤对模拟疼痛做出适当的反应,这将触发机器人手做出反应。通过设置输入电压的阈值以引起反应,研究小组可以使机器人手在手掌中心的一次猛击中后退。

换句话说,它学会了通过模拟人类神经系统工作方式的车载信息处理过程来摆脱模拟的不适源。

电子皮肤的开发是格拉斯哥大学可弯曲电子和传感技术(BEST)小组在柔性、可拉伸印刷表面方面的最新突破,该小组由拉文德·达希亚教授领导。

该大学詹姆斯·瓦特工程学院的Dahiya教授说:“我们都在生命的早期就学会了对意外刺激(如疼痛)做出适当的反应,以防止我们再次伤害自己。当然,这种新型电子皮肤的发展并没有像我们所知的那样真正涉及造成疼痛鈥攊这是一种简单的方法来解释从外部刺激中学习的过程。

“通过这个过程,我们能够创造出一种能够在硬件层面进行分布式学习的电子皮肤,在采取行动之前,它不需要来回向中央处理器发送消息。相反,它通过减少所需的计算量,大大加快了对触摸的响应过程。

“我们相信,这是我们朝着创建能够对刺激做出适当反应的大规模神经形态印刷电子皮肤迈出的真正一步。”

BEST小组成员、论文合著者刘丰元补充道:“未来,这项研究可能会成为更先进的电子皮肤的基础,使机器人能够以新的方式探索和与世界互动,或者构建能够接近人类触觉水平的假肢。”

该团队的论文《基于印刷突触晶体管的机器人感知和学习电子皮肤》发表在《科学机器人》杂志上。

标签:机械应用人工智能机器人服务与娱乐机器人特种机器人配件与装备系统及软件
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