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有著人類觸覺的電子皮膚的機器人,將效增進協作性、安全性與有效性

文/Evan



德國慕尼黑工業大學(Technische Universität München)的研究人員最近開發了一種可以幫助機器人重現人類觸覺的電子皮膚(Electronic Skin,e-Skin)。這個發表在多學科數位出版機構(Multidisciplinary Digital Publishing Institute,MDPI)旗下《感測器》期刊上的電子皮膚,比其他現有電子皮膚所需的運算能力要低得多,因此可以應用於機器人機體上的更大部分。

可以感知輕觸、壓力、溫度與振動並附著在任何平面與曲面的電子人造皮膚

「我們開發電子皮膚的主要動機來自於大自然,並集中在我們人類如何與周圍環境互動的問題上,」研究員 Florian Bergner 表示:「雖然人類主要依賴視覺,但只要涉及人與人之間的互動式接觸,觸覺便扮演非常重要的角色。我們相信,賦予機器人觸覺可以擴大機器人與人之間的互動範圍,進而使機器人更具協作性、安全性與有效性。」

Bergner 和由 Gordon Cheng 帶領的其他研究人員已經開發電子皮膚大約十年的時間。最初,他們試圖實現具有與人類皮膚相似的多模態感測能力的電子皮膚系統。換句話說,他們試圖建立一種可以感知輕觸、壓力、溫度和振動的人造皮膚,同時有效地將其感知分布在發生觸覺相互作用的不同位置上。

「人類不僅可以區別不同種類的觸碰,而且可以辨識觸碰發生的位置,」Bergner 表示:「除了複製這種能力之外,電子皮膚系統還應承受接觸上的身體壓力,具備可擴展性,並輕鬆地支援整合。」

Bergner 及其同事開發的新型電子皮膚系統是由六邊形感測器模組所組成的。這每個模組的尺寸約為 2 歐元硬幣的大小。當這些模組連接在一起時,就形成了有彈性,並可附著在各種平面與曲面上的人造皮膚。

不需大量運算能力,透過標準電腦便能完成大量觸碰資訊的處理需求

迄今為止,可以應用於大表面積的電子皮膚,其在每一次偵測到的觸碰資訊量方面存在明顯的局限性。另一方面,Bergner 及其同事開發的電子皮膚系統保留了先進的感測能力,而不需要大量的運算能力。

「傳統資訊處理對運算能力的要求高得令人無法接受,而且會有高功耗、高資訊傳輸速率、高資訊丟失與延遲的缺點,」Bergner 表示:「另一方面,人類可以毫不費力地處理大約 500 萬個皮膚感受器所收集的觸覺資訊。在我們最近的研究中,我們嘗試問自己:人類的觸覺是如何做到這一點的?我們如何利用神經科學的發現來減輕電子皮膚系統的局限性?」

人類皮膚上的感受器並不會持續地向大腦發送資訊,而往往會保持不活動的狀態,直到它們偵測到觸碰壓力、溫度或振動的變化為止。當它們偵測到變化時,這些感受器就會觸發刺波(Spike),這些刺波會經由神經纖維到達大腦。上述過程的結果是,人類皮膚只給大腦提供與觸碰有關的新資訊。Bergner 及其同事深入研究了這個生物過程,並試圖在其電子皮膚系統中進行複製。

「在我們的系統中,每個人造皮膚細胞都會監控自身的感測器來偵測變化,」 Bergner 解釋指出:「當他們偵測到足夠大的變化時,皮膚細胞就會向電腦回報新的資訊,如果沒有,它們會進入休眠模式。此舉大幅降低了對運算能力的要求。」

Bergner 及其同事所開發的電子皮膚系統極具可擴展性、高效率與彈性。最初的測試顯示,它可以在不需要藉助客製化硬體,只使用標準電腦的情況下,處理大面積系統中與觸碰相關的資訊流。

電子皮膚並適用於觸敏式義肢、智慧型物件或智慧感應服應用

Bergner 及其同事成功將他們的電子皮膚應用於擁有人類大小機身的 H1 機器人上。他們使用 1,260 個皮膚細胞覆蓋整個機體,其中包括 10,000 多個感測器,這算是前所未有的創舉。

「H1 機器人只透過內建系統便能進行自動操作,」Bergner 解釋表示:「拜我們新穎性科技驅動(Novelty-driven)之電子皮膚的好處之賜,讓皮膚細胞覆蓋機器人的構想成為可能,如此一來也大幅減少大約 80% 的運算負荷。更傳統的電子皮膚會使 H1 系統的負載完全飽和,進而導致延遲乃至大約 25% 的連續資訊丟失。」

未來,高效率電子皮膚可以為各種機器人提供增強的觸碰功能。除了增進人機互動的安全性(這在工業或醫療照護環境中特別有價值)外,電子皮膚細胞還可以用於開發新的技術工具,例如觸敏式義肢、智慧型物件或智慧感應服。

「在解決了處理大面積電子皮膚觸覺資訊的挑戰之後,我們現在可以著眼於縮小皮膚細胞的尺寸,進而達到更高的感測密度,」Bergner 表示:「具有大面積電子皮膚的 H1,現在可供我們研究人機互動和全身控制。另一個有趣的研究方向可能是研究新穎性科技驅動的觸覺資訊,以增強感知和控制演算法。」

A highly performing and efficient e-skin for robotic applications

(首圖來源:影片截圖)



取材自:科技新報 (2020/05/02)
https://technews.tw/2020/05/02/a-highly-performing-and-efficient-e-skin-for-robotic-applications/



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