機(jī)械手超越人類觸感？MIT最新研究讓機(jī)械手只需輕輕一抓就能識(shí)別物體！

如果和機(jī)械手一起玩“摸箱子”游戲，你有信心能贏么？

先別盲目自信，論誰(shuí)更會(huì)“摸”，機(jī)械手說不定更勝一籌，因?yàn)樗摹割惾擞|感技術(shù)」最近又又又進(jìn)化了！

別看它只有3根手指頭，僅需要抓握一次，這只機(jī)械手就能識(shí)別出手中的物體是什么，準(zhǔn)確率可達(dá)85%！

這是MIT最新研究成果，他們?cè)谄渫该鳌捌つw”下集成了多個(gè)高分辨率傳感器，使用攝像頭和LED來(lái)收集物體形狀的視覺信息，沿著手指提供連續(xù)感應(yīng)，一次抓取后就能識(shí)別物體，小手一握，盡在掌握！

▍全手指集成高分辨率傳感器

具有觸覺的機(jī)械手不在少數(shù)，它們要么把傳感器安裝在指尖中，需要和物體完全接觸才能感知；要么將低分辨率傳感器分布在整個(gè)手指上，通常需要多次抓握才能捕獲信息。

這讓機(jī)械手的觸覺感知顯得有些“遲鈍”。

相比之下，MIT的機(jī)械手具有極高的敏感度，那它到底是怎么做到的？

我們先從機(jī)械手的設(shè)計(jì)講起，它結(jié)合了剛性和柔性設(shè)計(jì)，既“強(qiáng)壯”又“溫柔”，指骨由3D打印的剛性內(nèi)骨骼組成，包裹在透明的硅膠“皮膚”里，這種設(shè)計(jì)讓它可以輕松拿起重物，柔軟的皮膚也給交互帶來(lái)更多安全感。

其中，每個(gè)手指的剛性內(nèi)骨骼都由可彎曲的關(guān)節(jié)和指骨組成：

（每個(gè)手指獨(dú)立操作，具有一個(gè)自由度，如果損壞可以快速更換）

每段指骨內(nèi)嵌入了一對(duì)精細(xì)的觸摸傳感器，稱為GelSight 傳感器，由一個(gè)攝像頭和三個(gè)彩色 LED 組成。這里的攝像頭并不是讓機(jī)械手去“看”物體，而是利用彩色 LED 從內(nèi)部照亮皮膚，相機(jī)來(lái)捕捉物體的大致輪廓圖像。

當(dāng)圖像的照明輪廓出現(xiàn)在皮膚上時(shí)，一種算法執(zhí)行反向計(jì)算將輪廓映射到所抓物體的表面上。研究人員訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以使用原始相機(jī)圖像數(shù)據(jù)識(shí)別物體。

更妙的是，雖然研發(fā)團(tuán)隊(duì)只在每段指骨中嵌入了攝像機(jī)，但手指可以彎曲呀，當(dāng)它彎曲的時(shí)候相機(jī)的范圍能夠略微重疊，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)手指長(zhǎng)度的連續(xù)感應(yīng)！

而機(jī)械手雖然只有3根手指，但每一根的作用都不多不少剛剛好：其中兩根手指以 Y 型排列，第三根手指作為輔助的拇指，當(dāng)它抓住物體時(shí)，手會(huì)捕捉六張圖像（每個(gè)手指兩張），并將這些圖像發(fā)送到機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)識(shí)別物體。結(jié)合每根手指的連續(xù)觸覺感應(yīng)，它可以從一次抓握中收集豐富的觸覺數(shù)據(jù)！

▍意外收獲——皺紋讓硅膠皮膚壽命更長(zhǎng)

機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程也并不是那么順利的，在對(duì)機(jī)械手進(jìn)行測(cè)試時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：機(jī)械手的硅膠皮膚會(huì)隨著時(shí)間的推移從表面剝落。

但同時(shí)，他們還有個(gè)意外收獲——添加皺紋可以增加機(jī)械手壽命！

最初，為了解決硅膠剝落的問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)骨骼關(guān)節(jié)中增加了曲線設(shè)計(jì)，這樣可以在手指彎曲時(shí)分擔(dān)硅膠皮膚的壓力；他們還在關(guān)節(jié)上增加了折痕，這樣當(dāng)手指彎曲時(shí)硅膠就不會(huì)被壓扁。

這一切都是為了防止硅膠表面起皺，但隨后他們發(fā)現(xiàn)：在手指表面制造的皺紋，有助于防止硅膠膜上的撕裂！

和光滑的硅膠皮膚相比，皺紋有助于減輕由尖角進(jìn)入傳感器表面而造成的高應(yīng)力點(diǎn)。有皺紋的表面也比光滑的表面摩擦更小。雖然皺紋會(huì)出現(xiàn)在傳感器圖像中，導(dǎo)致表面重建困難，但它完全沒有對(duì)物體分類結(jié)果產(chǎn)生影響。

“皺紋的用處是我們的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)。當(dāng)我們?cè)诒砻婧铣伤鼈儠r(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們實(shí)際上使手指比我們預(yù)期的更耐用，”MIT的研究人員表示。

GelSight EndoFlex 傳感器網(wǎng)狀皺紋表面的特寫圖像。其中一條皺紋的寬度約為 0.4 毫米，是我們?cè)谀＞弑砻鎳娚嫌推?，然后再將硅膠澆注到內(nèi)部時(shí)才形成的。

▍進(jìn)一步研發(fā)感知手掌

這項(xiàng)研究的第一作者是MIT的機(jī)械工程博士生Sandra Liu，她目前在Edward Adelson 教授領(lǐng)導(dǎo)的感知科學(xué)小組中進(jìn)行研究工作。該研究將在 RoboSoft 會(huì)議上展示。

這項(xiàng)研究為機(jī)械手的發(fā)展帶來(lái)了新的可能性，一次抓握精準(zhǔn)識(shí)別大大提升了速度和效率，“我們的目標(biāo)是將人手的功能盡可能賦予給機(jī)器人，它可以完成其他機(jī)器人手指目前無(wú)法完成的任務(wù)，”Sandra Liu說：“未來(lái)我們考慮進(jìn)一步研發(fā)具有感應(yīng)功能的手掌，更好地進(jìn)行觸覺區(qū)分。”

未來(lái)，研究人員還希望改進(jìn)硬件，以減少硅膠隨時(shí)間的磨損量，并為拇指增加更多的驅(qū)動(dòng)力，使其能夠執(zhí)行更廣泛的任務(wù)。