請試想這樣的場景：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)場情況更為復雜。這樣的情況下，救援人員不僅要及時救援，對被困人員進行精準定位，自身安全也受到了挑戰(zhàn)。
可否研發(fā)一種機械手，只需在現(xiàn)場輕輕一觸，就能快速識別物體與人體，且在使用時，救援人員無需親自進入現(xiàn)場即可判斷現(xiàn)場情況，并完成抓取、搬運物體的動作？
記者獲悉，日前，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和應急管理部上海消防研究所、中國科學院自動化所、蘇州慧聞納米科技有限公司等單位合作，依托國家科技創(chuàng)新2030新一代人工智能重大項目，由中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎團隊研發(fā)出“觸嗅一體仿生智能機械手”。在人體被瓦礫石堆覆蓋的場景下，該機械手可協(xié)助開展應急救援。模擬救援情況下，智能機械手對包括人體在內(nèi)的11種典型物體進行了識別，準確率達96.9%。相關(guān)研究近日發(fā)表于《自然·通訊》雜志。
模仿鼴鼠 機械手實現(xiàn)觸嗅一體
為克服惡劣的環(huán)境，實現(xiàn)快速判斷，并靈活地完成任務，團隊做出了許多努力。救援環(huán)境中，往往需要在視覺受限的情況下判斷環(huán)境，針對這一情況，陶虎團隊第一時間想到了仿生技術(shù)。
長期生活在地下的星鼻鼴鼠，面對地底黑暗的生活環(huán)境，進化出了圍繞在鼻孔四周的星狀觸手。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。星鼻鼴鼠比較少見，研究人員并沒有在現(xiàn)實中見過，但在一些醫(yī)學領(lǐng)域，與其相關(guān)的研究文獻為團隊提供了極大的靈感。受星鼻鼴鼠“觸嗅融合”感知啟發(fā)，團隊將嗅覺、觸覺傳感器與機器學習算法融合，構(gòu)建了仿星鼻鼴鼠觸嗅一體智能機械手。
這只“手”，不僅能摸，也會聞，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的變化，可以采集到物體的硬度、輪廓和局部的樣貌信息。而嗅覺傳感器中裝有特定的氣敏材料，它們在接觸特定氣體后會產(chǎn)生電阻變化。特定的氣體組合又代表特定的物質(zhì)，例如硫化氫、氨氣等人體的特殊氣味。這些氣味就像人體的名片一樣，可顯著區(qū)別于其他物體。救援人員只需操作機械手進行觸摸，結(jié)合傳感器采集信息，就可以快速判斷被救人員的位置和機械手接觸的人體部位。
面對災害環(huán)境，團隊既要考慮機械手的耐用性也要考慮其作業(yè)速度，為此團隊選擇了觸嗅一體、聯(lián)合識別的道路。相較于美國麻省理工學院發(fā)表于《自然》的包含548個傳感器的單一觸覺感知研究，團隊通過融合70個觸覺傳感器、6個嗅覺傳感器，就達到了更理想的識別效果。采集信號的傳感器少了，通道數(shù)少了，后面的計算量也會變小，隨之而來的是整個系統(tǒng)判斷速度的加快。
并且該機械手在傳感器受損的情況下，也有較高的精準度。災害條件下，器械時常受損。得益于靈敏度超越人類1個數(shù)量級的硅基MEMS氣體傳感器，以及探測限超越人類1個數(shù)量級的壓力傳感器，機械手遠比人類的手更靈敏。仿生智能機械手能在傳感器損壞率不超過50%時，通過算法的快速調(diào)節(jié)，保持超過80%的準確率。
復雜環(huán)境下 人類手形是最佳選擇
完成了對于嗅覺、觸覺傳感器的選擇后，是什么使得團隊選擇了人手形的結(jié)構(gòu)呢？
現(xiàn)代工業(yè)中，三指、四指機械爪可以勝任簡單的抓取任務，比如生活中常見的夾娃娃機就是三指機械爪。
而團隊卻選擇了1個大拇指配合4個手指的五指結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計了多個可活動關(guān)節(jié)。這是因為在復雜的掩埋環(huán)境下，廢墟中的物體形態(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。而仿生機械手的搬運、抓取靈活度，是簡單結(jié)構(gòu)的機械手無法企及的。
對此，該論文第一作者、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士生劉孟瑋表示，在設(shè)計之初，團隊也曾考慮過搭載傳感器的“蛇形”機械人，其細長的結(jié)構(gòu)可以輕松進入被掩埋的廢墟。但人手的生理結(jié)構(gòu)更能保證及時展開救援。機械手在判斷現(xiàn)場環(huán)境后立刻就能進行搬運抓取的動作。且機械手由人類控制，使用自己的仿生“器官”，更符合人的操作邏輯。
擁有了靈活的機械手，如何讓手與觸嗅感官有機結(jié)合，是接下來要面對的難題。機械手的材質(zhì)為確保耐用性，較為堅硬，而觸摸這一動作，又需要“手”與物體有較高的貼合程度。為此，團隊選擇了硅基傳感器加柔性基底的形式，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。二者結(jié)合，安裝在剛性的機械手上后，機械手就像人體的骨骼肌肉與皮膚一樣，“剛?cè)岵�，協(xié)作進行工作。
通過模擬測試 隨時可用于實戰(zhàn)
為了考驗機械手的實戰(zhàn)性能，科研人員與應急管理部上海消防研究所合作，通過在一線消防救援單位的實地調(diào)研，由陶虎團隊搭建了模擬場景，還原了災害現(xiàn)場有人體被掩埋的環(huán)境。
劉孟瑋表示，模擬環(huán)境的測試已證明機械手具備實戰(zhàn)能力。一旦出現(xiàn)緊急災害，機械手即可投入救援。目前機械手已具備基礎(chǔ)的仿生和傳感器功能，團隊還將深化研究，通過進一步精進傳感器和算法，機械手的觸覺傳感器將可以敏銳地捕捉人體的脈搏，就如中醫(yī)中的把脈一樣，輕輕捏住被困人員的人體部位，就可以即時測量被困人員脈搏，進而判斷生命體征。此外，救援人員還可以將其安裝在智能機器人上，進行更復雜的救援活動。
吳天一 本報記者 王 春