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什幺?机器人也能用印的?

时间:2020-06-16      浏览:401
什麼?機器人也能用印的?

机器人总是给人冰冷坚硬的印象──钢甲取代血肉,面对外在的刺激感应,机器人丝毫怎幺不灵光。如今,利用日益纯熟的3D列印技术,机器人的肌肤也能被灵活地「印」出来,赋予了它更多元、更贴近人体的感知系统。以后跟机器人握手,或许它就能感受到我们的「力道」与「温暖」,并自然而敏锐地回礼,让握手的节奏不再那幺生疏僵硬。

要机器人富有感知?困难重重

在人类的五感(视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉)中,视觉最先被电子化;感知光源、输出图像的电子设备最早步入生活周遭,如数位相机中的感光元件CCD(Charge-Coupled Device)与现今主流电视中的液晶显示模组。这类电子产品之所以能被人们迅速开发、商业化,是由于视觉的输入与输出仅用到单一物理──光。以显示面板为例,每一像素只要精确地呈现光的「亮度」与「颜色」,就能协调出丰富多彩的画面。

但人们的皮肤能侦测各种不同的外在环境刺激,不同皮层之间富有各式感觉神经元。因此,当我们闭上双眼,尝试用手去抓一个物体并递给别人时,能感知多样的讯息并加以判断:触觉──是否碰到它了?本体知觉──东西递出去了吗?痛觉──该物体尖不尖锐?温度感知──它是冰的还是热的?[参2]这些讯息的解析并不简单。反观视觉中的颜色,可以利用三原色(红、绿、蓝)进行线性叠加直接产生。

要设计出像人类皮肤的敏锐机器,对工程师来说难如登天。如何将各个人工材料、感测器集结再一起,并完善发挥各部件的功能成了首要难题,毕竟皮肤是经年累月演化的结晶。然而,在美国哈佛大学的工程与应用科学学院,有研究团队建立出了简洁有效的製作方式,善用纯熟的3D列印技术,将多种具离子导电与流体特性的材料,天衣无缝地镶嵌在弹性基质里,印刷出富有感知的机器人。

赋予机器人血肉──3D列印技术

3D列印可以盖房子、做义肢甚至器官,这些应用已经时有耳闻,如今,它还可以替机器人赋予血肉,把多种感官系统有层次地「印」出来。研究人员利用3D列印技术创造软性体感驱动器SSAs(Soft Somatosensitive Actuators)[参1],整合了多种材料以及複杂的感测器网路,使得驱动器兼具外在柔软与内在导电的特性,足以应付弯折、压力、接触,以及温度的外在刺激,并有效回传这些感测资讯。

这些机器不再披着铁甲外衣,有没有刚硬的电子零组件焊接在内,取而代之的是有机材料所特製的各种感测器,依序印出,服贴并紧密地布署在不同基质之间:如弯曲感测在背部基质(Dorsal Matrix)、压力感测在驱动基质(Actuator Matrix)、接触感测在前部基质(Anterior Matrix),不同种类的感测器镶嵌在不同基质之间,一切就像人的皮肤。

然而,这些感测器如何解读各种不同的外在刺激呢?答案是,感测器材料面对弯曲、压力、接触后所产生的形变,会造成材料的电阻值变化,而电阻变化又可以从物理公式精确地还原外界刺激的强度。最后,特製的离子液体注入基质中,量测阻值变化的电讯号也得以导出。这些印刷出来的机器装置,整体结构更接近生物体,具备柔软度,有着不同层次的基质皮肤,里头彷彿有专职的感测神经元,就连讯号的流通也仰赖富含离子的液体,这也是神经细胞里的主要成分呢!

什幺?机器人也能用印的?

图一、机器人的简要3D印刷流程(上图)。当机器人触压到物体时,其内部各种感测器的电阻发生变化,不同的变化趋势反映着外界刺激的类别与强度(下图)[参1]。

多重感知,多重潜力

「软性机器人在几何形状上,受限于传统的模具技术;在材料方面,一般商用的3D列印也约束了材料的选用。」哈佛大学工程与应用科学学院的教授如此表示;他接续阐明:「这项技术革新了机器人的创造模式……得以将多样的感测器与驱动器嵌入其中,搭建複杂且庞大的机器人。」

这项发明的研究团队,下一步策画运用机器学习,训练这些软性机器人,来抓取任意尺寸、形状、表面结构与不同温度的物体。正好,崭新的软性机器人能感知多种参数,有了更广泛的资讯,机器学习也能更全面地发挥所长,辨识物体资讯,并作出敏捷而平稳的反应。说不定以后会遇见身手矫健的机器人出现在餐厅里,为顾客服务,端碗递菜样样不成问题。于是乎,当前最聪颖的演算法、软体驾驭着丰富多变的软性机器,也许能把实体机器人发挥到极致,届时又将会有许多应用遍地开花。

编译来源:“Novel 3-D printing method embeds sensing capabilities within robotic actuators” Science Daily (2018) https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180228085345.htm


参考文献