研究人員表示，“我們使用人類(lèi)的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種人造手指，它可以通過(guò)將傳感器信號(hào)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，來(lái)學(xué)習(xí)對(duì)精細(xì)和復(fù)雜的紋理進(jìn)行分類(lèi)，該方法還可用于基于訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)未知紋理。”
在過(guò)去的幾十年時(shí)間里，機(jī)器人專(zhuān)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家致力于人工系統(tǒng)的創(chuàng)造與開(kāi)發(fā)，以越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)的方式試圖讓生物功能和人類(lèi)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(lèi)的感官數(shù)據(jù)的傳感器。
在人類(lèi)想要理解物體的特性以及抓住或處理物體的時(shí)候，通常依賴于他們獨(dú)有的觸覺(jué)。因此，開(kāi)發(fā)性能更佳、反應(yīng)更靈活的機(jī)器人或假肢對(duì)于創(chuàng)造人類(lèi)觸覺(jué)的人工傳感系統(tǒng)具有重要價(jià)值。
人類(lèi)使用不同類(lèi)型的皮膚受體通過(guò)壓力和振動(dòng)信號(hào)的組合，來(lái)檢測(cè)觸覺(jué)刺激。人工觸覺(jué)感知系統(tǒng)的進(jìn)步與機(jī)器人和假肢的發(fā)展密切相關(guān)，并且科學(xué)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(lèi)人能力的系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，韓國(guó)成均館大學(xué)和漢陽(yáng)大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了一種人工觸覺(jué)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)模仿人類(lèi)通過(guò)觸覺(jué)識(shí)別周?chē)矬w的方式。
6 月 3 日，相關(guān)研究以《一種人工神經(jīng)觸覺(jué)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(lái)捕獲與物體的觸覺(jué)特性相關(guān)的數(shù)據(jù)。
圖丨相關(guān)論文(來(lái)源：Nature Electronics)
該團(tuán)隊(duì)在論文中報(bào)告，“我們開(kāi)發(fā)了一種人工神經(jīng)觸覺(jué)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(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)模擬人類(lèi)觸覺(jué)識(shí)別過(guò)程。
傳感器有選擇地響應(yīng)壓力和振動(dòng)，類(lèi)似于人類(lèi)皮膚中的慢速自適應(yīng)和快速自適應(yīng)機(jī)械感受器，并且可以產(chǎn)生類(lèi)似感覺(jué)神經(jīng)元的輸出信號(hào)模式?！?/FONT>
研究人員表示，“在體外測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)通過(guò)傳入觸覺(jué)小鼠神經(jīng)纖維的無(wú)失真?zhèn)鬏斒强赡艿?，而在體內(nèi)測(cè)試中，信號(hào)可以刺激大鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)以誘導(dǎo)后肢肌肉收縮?！?/FONT>
生物感覺(jué)系統(tǒng)通過(guò) “體感轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程” 將觸覺(jué)刺激轉(zhuǎn)化為動(dòng)作電位，隨后，再通過(guò)傳入神經(jīng)將這些信號(hào)傳輸?shù)酱竽X。
圖丨模仿生物系統(tǒng)的人工觸覺(jué)系統(tǒng)(來(lái)源：Nature Electronics)
研究人員表示，“我們使用人類(lèi)的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種人造手指，它可以通過(guò)將傳感器信號(hào)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，來(lái)學(xué)習(xí)對(duì)精細(xì)和復(fù)雜的紋理進(jìn)行分類(lèi)，該方法還可用于基于訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)未知紋理?！?/FONT>
為了模擬人類(lèi)的觸覺(jué)系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)使人工神經(jīng)觸覺(jué)皮膚通過(guò)傳感器對(duì)壓力及振動(dòng)做出相關(guān)的反應(yīng)，在人類(lèi)皮膚中復(fù)制了慢適應(yīng)和快適應(yīng)機(jī)械感受器的功能。他們收集的數(shù)據(jù)類(lèi)似于人類(lèi)感覺(jué)神經(jīng)元收集信息的方式，因此，它們最終會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似人類(lèi)的觸覺(jué)神經(jīng)信號(hào)。
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(lái)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(lèi)似于真實(shí)的人類(lèi)皮膚。
為了評(píng)估他們的人造皮膚系統(tǒng)，并證明它可以整合到真實(shí)的生物系統(tǒng)中，研究人員在一系列小鼠實(shí)驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估。
研究人員表示，“這些實(shí)驗(yàn)包括傳入神經(jīng)的體外傳遞測(cè)試和通過(guò)刺激傳出神經(jīng)進(jìn)行的體內(nèi)肌肉反應(yīng)測(cè)試，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了將系統(tǒng)集成到真實(shí)生物系統(tǒng)中的可能性?！?/FONT>
圖丨信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為感覺(jué)神經(jīng)元模擬信號(hào)(來(lái)源：Nature Electronics)
除了通過(guò)將人造皮膚與真實(shí)生物系統(tǒng)集成來(lái)測(cè)試他們的人造皮膚外，研究人員還評(píng)估了其分析和識(shí)別表面紋理的能力。
為此，他們?cè)?T 型皮膚設(shè)備上層壓了模仿人類(lèi)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(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了驚人的 99.1% 的紋理分類(lèi)準(zhǔn)確率。” 研究人員表示。
未來(lái)，這組研究人員開(kāi)發(fā)的人工觸覺(jué)傳感系統(tǒng)可以與現(xiàn)有或新開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)集成，以復(fù)制人類(lèi)的觸覺(jué)。這可以顯著提高他們?cè)谏婕坝|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）
