研究人員表示，“我們使用人類的觸覺傳感系統(tǒng)開發(fā)了一種人造手指，它可以通過將傳感器信號與深度學習技術(shù)相結(jié)合，來學習對精細和復(fù)雜的紋理進行分類，該方法還可用于基于訓練模型預(yù)測未知紋理。”
在過去的幾十年時間里，機器人專家和計算機科學家致力于人工系統(tǒng)的創(chuàng)造與開發(fā)，以越來越接近現(xiàn)實的方式試圖讓生物功能和人類能力趨近。前文提及的人工系統(tǒng)，包括人工智能系統(tǒng)和可獲取各類的感官數(shù)據(jù)的傳感器。
在人類想要理解物體的特性以及抓住或處理物體的時候，通常依賴于他們獨有的觸覺。因此，開發(fā)性能更佳、反應(yīng)更靈活的機器人或假肢對于創(chuàng)造人類觸覺的人工傳感系統(tǒng)具有重要價值。
人類使用不同類型的皮膚受體通過壓力和振動信號的組合，來檢測觸覺刺激。人工觸覺感知系統(tǒng)的進步與機器人和假肢的發(fā)展密切相關(guān)，并且科學家已經(jīng)創(chuàng)造了人工受體、神經(jīng)和皮膚。然而，構(gòu)建具有類人能力的系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，韓國成均館大學和漢陽大學的研究人員創(chuàng)建了一種人工觸覺傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)模仿人類通過觸覺識別周圍物體的方式。
6 月 3 日，相關(guān)研究以《一種人工神經(jīng)觸覺感知系統(tǒng)》(“An artificial neural tactile sensing system”)為題發(fā)表在 Nature Electronics，它使用傳感器來捕獲與物體的觸覺特性相關(guān)的數(shù)據(jù)。
圖丨相關(guān)論文(來源：Nature Electronics)
該團隊在論文中報告，“我們開發(fā)了一種人工神經(jīng)觸覺皮膚系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于粒子的聚合物復(fù)合傳感器和信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來模擬人類觸覺識別過程。
傳感器有選擇地響應(yīng)壓力和振動，類似于人類皮膚中的慢速自適應(yīng)和快速自適應(yīng)機械感受器，并且可以產(chǎn)生類似感覺神經(jīng)元的輸出信號模式?！?/FONT>
研究人員表示，“在體外測試中發(fā)現(xiàn)，輸出信號通過傳入觸覺小鼠神經(jīng)纖維的無失真?zhèn)鬏斒强赡艿?，而在體內(nèi)測試中，信號可以刺激大鼠運動神經(jīng)以誘導(dǎo)后肢肌肉收縮。”
生物感覺系統(tǒng)通過 “體感轉(zhuǎn)導(dǎo)過程” 將觸覺刺激轉(zhuǎn)化為動作電位，隨后，再通過傳入神經(jīng)將這些信號傳輸?shù)酱竽X。
圖丨模仿生物系統(tǒng)的人工觸覺系統(tǒng)(來源：Nature Electronics)
研究人員表示，“我們使用人類的觸覺傳感系統(tǒng)開發(fā)了一種人造手指，它可以通過將傳感器信號與深度學習技術(shù)相結(jié)合，來學習對精細和復(fù)雜的紋理進行分類，該方法還可用于基于訓練模型預(yù)測未知紋理。”
為了模擬人類的觸覺系統(tǒng)，該團隊使人工神經(jīng)觸覺皮膚通過傳感器對壓力及振動做出相關(guān)的反應(yīng)，在人類皮膚中復(fù)制了慢適應(yīng)和快適應(yīng)機械感受器的功能。他們收集的數(shù)據(jù)類似于人類感覺神經(jīng)元收集信息的方式，因此，它們最終會產(chǎn)生類似人類的觸覺神經(jīng)信號。
圖丨具有顆粒聚合物復(fù)合材料的仿生 T 型皮膚傳感器(來源：Nature Electronics)
論文指出，該系統(tǒng)由 T 型皮膚薄膜組成，其中導(dǎo)電壓阻和壓電顆粒排列在彈性聚合物基質(zhì)中。這些薄膜超薄 (<120μm)、重量輕 (15 mg cm-2 )且具有粘性，因此非常類似于真實的人類皮膚。
為了評估他們的人造皮膚系統(tǒng)，并證明它可以整合到真實的生物系統(tǒng)中，研究人員在一系列小鼠實驗中對其進行了評估。
研究人員表示，“這些實驗包括傳入神經(jīng)的體外傳遞測試和通過刺激傳出神經(jīng)進行的體內(nèi)肌肉反應(yīng)測試，這兩個實驗的結(jié)果證實了將系統(tǒng)集成到真實生物系統(tǒng)中的可能性?！?/FONT>
圖丨信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將傳感器信號轉(zhuǎn)換為感覺神經(jīng)元模擬信號(來源：Nature Electronics)
除了通過將人造皮膚與真實生物系統(tǒng)集成來測試他們的人造皮膚外，研究人員還評估了其分析和識別表面紋理的能力。
為此，他們在 T 型皮膚設(shè)備上層壓了模仿人類指尖結(jié)構(gòu)的人造脊?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以感知復(fù)雜的紋理圖案，并且將其與可以對表面結(jié)構(gòu)進行分類的深度學習技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了驚人的 99.1% 的紋理分類準確率?！?研究人員表示。
未來，這組研究人員開發(fā)的人工觸覺傳感系統(tǒng)可以與現(xiàn)有或新開發(fā)的機器人系統(tǒng)集成，以復(fù)制人類的觸覺。這可以顯著提高他們在涉及觸摸、抓取和操縱物體的任務(wù)中的表現(xiàn)。
參考：https://techxplore.com/news/2021-06-artificial-tactile-skin-mimics-human.html__https://www.nature.com/articles/s41928-021-00585-x
（轉(zhuǎn)載）
