機器人在視覺和聽覺方面已經處在不斷進化的階段，但是對於觸覺、嗅覺和味覺，它們幾乎“一無所知”。如果之後要和機器人做朋友，我們當然不希望在和它們握手或者擁抱的時候被擠壓骨折。

聰明的機器人需要觸覺。

人類面板能感知觸覺、痛覺、熱覺等多種感覺，其中觸覺感知最為重要。人的觸覺主要通過分佈在面板不同深度的四種觸覺感受器來感知，但要實現快速響應、穩定抓取、拉伸、切向力和運動方向等等感覺功能，對機器而言極為複雜。

（圖源：liu.se）

幾十年來，機器人專家一直在思考如何讓機器有感覺，也就是觸覺感測。目前最基本的方法是使用換能器將壓力轉換為電訊號。

根據感測器本身的軟、硬包覆層和覆蓋應用範圍，觸覺感測器通常分為三類，近年來國際上重點研究的是其中的柔性面板、電子面板觸覺感測器。儘管在兩年前誕生了世界首條柔性人造觸覺神經，但人造面板依舊進展緩慢。

哥倫比亞大學機械工程與計算機科學系副教授 Matei Ciocarlie 說：“一直以來很難跨越的鴻溝是，製造觸控感測器和製造手指是有區別的。”

於是 Ciocarlie 和電氣工程教授 Ioannis (John) Kymissis 想出一種 “新奇” 的思路——“光指”，研究團隊稱“他們的手指可以在一個很大的、多曲線的表面上以極高的精度（<1 毫米）來定位觸控，這與人類的手指非常相似。”

這項研究發表在國際知名刊物《IEEE/ASME 機電一體化會刊》。

（圖源：哥倫比亞大學）

通俗來說，這個手指不是通過觸覺神經來感受，而是通過 “看” 自己手上的光亮程度來判斷力的大小。

這種光指是由 3D 印表機做出的骨架，骨架上嵌入了 32 個光電二極體和 30 個相鄰的 LED，為了使這些亮光“僅機器人自己可見”，手指外表用柔軟的反光矽膠面板覆蓋。

當機器人手指觸控物體時，外部會變形，並且骨架上的光電二極體會檢測到發光二極體發出的光的變化。由此，系統就可以確認手指什麼地方在摸東西，以及用了多大的力。所以，機器人不會感覺到觸覺，而是會 “看到” 觸覺。

此前，一家名為 SynTouch 的公司研發出一種“鹽水手指”，手指內部是 19 個超靈敏電極，電極和矽外皮之間注入了鹽水。當接觸東西時，電極會通過鹽水檢測電阻的變化，從而知道觸控的位置和強度。

哥倫比亞大學的 “光指” 原理其實和 “鹽水手指” 很相近，只不過把電極和鹽水換成了 LED 燈和光電二極體。最大的不同在於，“光指”融入了 AI 機器學習演算法，分析處理更精確，同時還具備自我校準和不斷學習的能力。

如果戳一下這個“光指”，所有的廣電二極體都會“動起來”，靠近被戳地方的光電二極體反饋更大，遠的地方反饋較小。整個系統能非常詳細地獲取所有資訊。也就是說，你戳一下“光指”，手指內部需要處理 32 個光電二極體和 30 個 LED 發出的 960 個訊號。另外，由於光可以在彎曲的空間中反彈，這些訊號可以覆蓋複雜的三維形狀，比如指尖。

“我們的結果表明，深度神經網路可以非常高精度地提取此資訊，” Kymissis 說，“我們的裝置從一開始就是真正設計成可與 AI 演算法結合使用的觸覺手指。”

“人的手指提供了令人難以置信的豐富的聯絡資訊——在每平方釐米的面板中有超過 400 個微小的觸控感測器！” Ciocarlie 說。“這個模型促使我們嘗試從手指上獲取儘可能多的資料。確保手指四周的所有接觸都被覆蓋是至關重要的——我們基本上建造了一個沒有盲點的觸覺機器人手指。”

其實，相比於其他剛性換能器，“光指”還有另外一個優勢，即不需要外接太多線纜和其他電子裝置。該團隊表示，把這樣一根 “光指” 連線到手上只需要一條 14 線電纜。

圖 | “光指”，為了顯示內部構造，此處沒有包覆外層“矽面板”（來源：哥倫比亞大學）

接下來，研究人員打算進一步用集成了 “光指” 的手來嘗試證明其靈巧的操作能力。

就像是女生下班回家路上從亂七八糟的包裡翻找口紅一樣，光線不足的時候只能靠摸形狀來判斷，機器人也可以學會在視覺和觸覺之間來回切換。

此項研究真正吸引人的地方在於，當其他工程師執著於讓機器人從生物神經上模仿人類時，他們嘗試用一種 “非人類” 的方式混合了視覺和觸覺輸入。儘管這根 “光指” 目前還不能感受到溫度、粗糙或者柔軟，但是研究人員似乎正在尋找另一個解決方案——聽出粗糙感和柔軟感。