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在2022年2月23日發(fā)表在《自然-機(jī)器智能》上的一篇論文中，馬克斯-普朗克智能系統(tǒng)研究所（MPI-IS）的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)介紹了一種名為 "Insight "的魯棒性軟觸覺傳感器，它使用計(jì)算機(jī)視覺和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來準(zhǔn)確估計(jì)物體與傳感器接觸的位置以及施加的力有多大。該研究項(xiàng)目是朝著機(jī)器人能夠像人類和動(dòng)物一樣準(zhǔn)確地感受其環(huán)境邁出的重要一步。就像它的自然對(duì)應(yīng)物一樣，指尖傳感器非常敏感、堅(jiān)固，而且分辨率高。

拇指形狀的傳感器是由一個(gè)圍繞輕質(zhì)硬質(zhì)骨架的軟殼制成的。這個(gè)骨架支撐著這個(gè)結(jié)構(gòu)，就像骨頭穩(wěn)定了柔軟的手指組織一樣。外殼由混合了深色但反光的鋁片的彈性體制成，形成了不透明的灰色，防止任何外部光線進(jìn)入。隱藏在這個(gè)手指大小的帽子里的是一個(gè)微小的160度魚眼相機(jī)，它記錄了彩色的圖像，由一圈LED照亮。

當(dāng)任何物體接觸到傳感器的外殼時(shí)，傳感器內(nèi)的顏色圖案的外觀就會(huì)改變。相機(jī)每秒記錄許多次圖像，并將這些數(shù)據(jù)輸入一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該算法可以檢測(cè)到每個(gè)像素中即使是最小的光線變化。在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型就能繪制出手指與物體接觸的確切位置，確定力的強(qiáng)度，并指出力的方向。該模型推斷出科學(xué)家所稱的力圖。它為三維指尖上的每一個(gè)點(diǎn)提供一個(gè)力矢量。

MPI-IS的馬克斯-普朗克研究組組長(zhǎng)Georg Martius說："我們通過外殼的創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)、內(nèi)部定制的成像系統(tǒng)、自動(dòng)數(shù)據(jù)收集和尖端的深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了這種出色的傳感性能，他是自主學(xué)習(xí)組的負(fù)責(zé)人。"他的博士生孫煥波補(bǔ)充說："我們獨(dú)特的混合結(jié)構(gòu)，即一個(gè)軟殼包圍著一個(gè)堅(jiān)硬的骨架，確保了高靈敏度和堅(jiān)固性。我們的相機(jī)可以從一張圖像中檢測(cè)到甚至最輕微的表面變形"。事實(shí)上，在測(cè)試該傳感器時(shí)，研究人員意識(shí)到它足夠敏感，可以感受到自己相對(duì)于重力的方向。

該團(tuán)隊(duì)的第三位成員是MPI-IS觸覺智能部主任凱瑟琳-J-庫琴貝克。她確認(rèn)，新的傳感器將是有用的。Kuchenbecker說："以前的軟觸覺傳感器只有很小的感應(yīng)區(qū)域，很精致，很難制作，而且往往不能感覺到與皮膚平行的力，而這對(duì)于機(jī)器人的操作是至關(guān)重要的，比如拿著一杯水或沿著桌子滑動(dòng)一枚硬幣。"

但是這樣的傳感器是如何學(xué)習(xí)的呢？孫煥波設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，生成機(jī)器學(xué)習(xí)模型所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以了解原始圖像像素的變化與所施加的力之間的相關(guān)性。該測(cè)試平臺(tái)探測(cè)了傳感器的整個(gè)表面，并將真實(shí)的接觸力矢量與傳感器內(nèi)的攝像機(jī)圖像一起記錄下來。通過這種方式，產(chǎn)生了大約20萬個(gè)測(cè)量值。收集數(shù)據(jù)花了近三周時(shí)間，又花了一天時(shí)間來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。在這么多不同接觸力的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中幸存下來，有助于證明Insight的機(jī)械設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，而用更大的探頭進(jìn)行的測(cè)試顯示了傳感系統(tǒng)的通用性。

拇指形狀的傳感器的另一個(gè)特別之處是它擁有一個(gè)指甲形狀的區(qū)域，其彈性層較薄。這個(gè)觸覺窩的設(shè)計(jì)，甚至可以探測(cè)到微小的力和詳細(xì)的物體形狀。對(duì)于這個(gè)超敏感區(qū)，科學(xué)家們選擇了1.2毫米的彈性體厚度，而不是他們?cè)谑种競(jìng)鞲衅鞯钠渌糠质褂玫?毫米。

我們?cè)诠ぷ髦刑岢龅挠布蛙浖O(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)移到具有不同形狀和精度要求的各種機(jī)器人部件。機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)、訓(xùn)練和推理過程都是通用的，可以應(yīng)用于許多其他的傳感器設(shè)計(jì)，"孫煥波總結(jié)道。