灵敏的机器人：触觉技术如何缩小机械差距 [赞助文章]

现在，有些外科医生正在给病人做手术，但他们却感觉不到自己的手术器械。同样，世界各地核设施的工人也使用遥控机械臂来处理放射性物质，却感觉不到自己在触摸什么。这是一种麻木症，几乎所有使用机器人协助进行体力劳动的人都会患上这种疾病——从阿富汗的拆弹专家到国际空间站上的宇航员。

问题不在于生理，而在于机械。随着机器人越来越普遍，特别是在高风险和高风险的情况下，部署远程操作的替代机器人的好处正在遭遇功能障碍。大多数情况下，机器人无法感受到它们所触碰的东西，迫使用户重新调整自己的本能，用不断的视觉确认取代简单的触觉提示（例如，两个指尖之间的电线轮廓）。结果就是研究人员所说的“认知负荷增加”，操作员必须积极思考无数本应毫不费力的小任务。当这些任务的时间紧迫时，例如当病人正在失血，或者路边的炸弹即将爆炸时，这种额外责任的重担几乎变得难以承受。

现在，研究人员希望通过制造具有感知能力的机器来减轻这种认知负担，并可能使整整一代机器人更有效率。这就是所谓的触觉技术，它代表了机器人技术中最具挑战性的研究领域之一。但随着新传感器和反馈系统终于走出实验室，它也恰好是最有前途的研究领域之一。

感官反馈：良好振动与令人烦恼的干扰之间的界限
触觉技术的核心是机器通过触摸进行通信，无论是操纵杆在操纵器碰到障碍物时停止，还是触摸屏在虚拟键盘上每次敲击时发出嗡嗡声。振动是触觉反馈最常见的形式，静音手机来电时的咔嗒声是触觉反馈最常见的应用。

将这一概念扩展到机器人领域似乎很简单。当 Intuitive Surgical 的达芬奇系统等手术机器人用操纵器接触患者组织时，为什么不通过轻微的嗡嗡声向操作员发出信号呢？“你不会想让外科医生的手产生振动，”马萨诸塞州剑桥研究与开发公司首席执行官肯·斯坦伯格说，该公司已经测试了自己的触觉设备用于手术机器人。由于他们的手已经捏住并扭转机器的控制器来指挥患者体内的操纵器，外科医生告诉斯坦伯格，近乎持续的振动在最好的情况下会造成滋扰；在最坏的情况下，会造成困惑和手指麻木的干扰。“振动绝对不适合人体，”斯坦伯格说。“神经无法分辨哪种振动更强，哪种振动更弱。随着时间的推移，它只会让你更加恼火。”

剑桥研发中心的解决方案是少些嗡嗡声，多些推动。该公司最近展示了 Neo，这是一种线性致动器的原型——一种头带式装置，可上下移动，而不是大多数电机典型的圆周运动。当达芬奇系统的仪器或操纵器与任何东西接触时，Neo 的小型触觉器（一种将压力和振动传递到用户皮肤的微型传感器）会推向外科医生的头部。使用线性致动器可以将触觉反馈调整到微小的程度——从反映操纵器刷过组织的羽毛般的痒感，到拉紧缝合线时明显的轻拍。

为了测试反馈的有效性，一位配备了 Neo 的外科医生进行了一次模拟手术，该手术要求他抓住静脉——由于穿刺或损伤风险高，外科医生通常避免使用微创手术机器人来做这件事。“我们决定展示如何巧妙地抓住模拟静脉，以证明偏转或挤压的程度最小，”斯坦伯格说。“我们蒙住外科医生的眼睛，让他使用机器人抓住静脉，在这种情况下是一根吸管，并告诉他一感觉到吸管就停下来。”当外科医生感觉到吸管时，机器人几乎立即停止，让斯坦伯格确认不会有任何组织损伤或穿刺。考虑到达芬奇的标准反馈是通过 3D 高分辨率显示器提供的视觉信息，这是传输触摸所能提供的令人印象深刻的一瞥。“这种功能的安装成本是数百美元，而不是数十万美元。我们认为我们已经为未来十年的触觉找到了解决方案，”斯坦伯格说。

尽管剑桥研发中心希望将其技术授权给 Intuitive Surgical 等公司，但一种更传统的触觉反馈形式已经进入手术室。RIO 手术机器人专门用于髋关节和膝关节手术，由骨科医生指导，但 RIO 在手术开始前已经制定了计划——它会根据提前进行的 CT 扫描，利用自己对患者的了解。因此，如果人类外科医生偏离目标，或施加太大压力，RIO 就会应用佛罗里达州 Mako Surgical 所称的“触觉反馈”。这是“力反馈”的另一个术语，即控制器主动向用户施加反作用力。

如果机器人能够自主对触觉反馈做出反应，触觉技术可能会更有效
然而，力反馈并不是万能的解决方案。虽然 RIO 手术机器人可以将用户限制在明确界定的区域内，但像 2010 年应对深水地平线漏油事件或 2011 年应对福岛第一核电站灾难的机器人一样，正在不可预测的环境中应对混乱。研究人员必须转变思路，为这些系统的操作人员提供更好的解决方案，他们的任务是透过沾满油污或因高辐射水平的电离效应而闪烁的摄像头来转动扳手或门把手。

洛杉矶 SynTouch 等公司不再纠结于如何以有意义、不分散注意力的方式将触觉传递给用户，而是专注于机器本身。如果机器人知道它在触摸什么，为什么不对它进行编程以做出相应的反应呢？SynTouch 的 BioTac 传感器旨在模仿人类的指尖，检测力以及振动和温度。通过结合这三种输入，配备 BioTac 的机械手可能能够辨别玻璃和金属（基于温度），以及按钮和周围面板（基于纹理）。但是，尽管这种输入对人类用户来说很方便，但机器人可以更好地利用这些信息。

SynTouch 联合创始人兼业务开发主管 Matt Borzage 表示，这是速度问题。“人类的手在握住某物时，每秒需要进行数千次调整。如果开始滑动，将信息一路传送到大脑，再一路传回手臂需要很长时间。这就是为什么脊髓与手臂相连的原因，”Borzage 说。要使机械手达到与人类一样的精确度，并避免不断摸索，它必须独立行动。等待操作员接收触觉信号、处理它并发回命令是导致停顿和笨拙失败的根本原因。“这就是为什么我们需要在机械臂中实现一些低级反射来模仿脊髓水平的反射的原因，”Borzage 说。

这种基于反射的方法正被 Shadow Hand 的制造商所采用，Shadow Hand 是世界上最灵巧的机械手之一。“对于远程操控而言，复杂的传感目前还没有什么太大的优势，因为你不能将数据反馈给操作员，”Shadow Robot Company 的总经理 Rich Walker 说。“你希望机器人能够解读这些数据，而不是将其反馈给人类。”这家总部位于伦敦的公司与 SynTouch 密切合作，后者开发了一款 Shadow Hand BioTac 套件，帮助研究型客户将指尖传感器与该系统集成。但是，要使触觉增强技术得到广泛的实际应用，例如用于核电设施中物料搬运工使用的机器人，智能、灵活的操纵器早在触觉反馈系统出现之前就已经成为现实。

触觉技术最终可能会让机器人拥有更强的“自我”意识
如果说触觉技术（传统意义上的触觉技术）已被抛弃，那将是不公平的。如果说有什么不同的话，那就是触觉技术已经进化了，既包括可以感知的机器，也包括可以与人类分享这种感觉的机器。总部位于蒙特利尔的 Kinova Systems 目前正在开发一种触觉升级产品，以升级其现有的操纵杆控制的 JACO 夹臂。该手臂可以连接到轮椅上，使上半身残疾的人能够抓取和操纵物品，并通过夹臂的三个单独控制的欠驱动“手指”为该人提供精细的“触觉”。研究的第二阶段将向操作员提供反馈，可能是通过手臂或头带。但第一步将是夹臂能够感知和识别它们触摸的物体，并进行相应调整；例如，一杯水可以保持水平，并施加足够的压力以保持抓握力，避免玻璃破碎。

换句话说，触觉领域最终可能首先帮助机器人。如果像 Cambridge R&D、SynTouch 和 Shadow Robot 这样的公司能够成功吸引机器人领域的主要参与者——他们的系统已在医院、石油钻井平台或世界各地的战场和灾区无处不在——这些机器将不需要太多监控。它们会在扳手掉入油柱之前抓住它，或者在炸弹的电缆中剪断一根电线。这可以说是一个幸运的意外：在制造能够传递触觉且更易于控制的机器的过程中，机器人专家已经制造出能够更好地自我控制的机器。

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简介：Erik Sofge 是马萨诸塞州的一名科技、科学和文化作家。他是《大众机械》、《大众科学》、《男士杂志》和《华尔街日报周末版》的定期撰稿人。他的作品还出现在《Slate》、《Fast Company》和《2012 年美国最佳科学写作》上。

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