智能機械手對被困人員精準定位 可隨時(shí)用于實(shí)戰

請試想這樣的場(chǎng)景：在地震或塌方后，視覺(jué)受限，人體被廢墟掩埋，塵土、飛沙遮擋視線(xiàn)，情況十分危急，而瓦礫、混凝土、鋼筋等物體使得現場(chǎng)情況更為復雜。這樣的情況下，救援人員不僅要及時(shí)救援，對被困人員進(jìn)行精準定位，自身安全也受到了挑戰。

可否研發(fā)一種機械手，只需在現場(chǎng)輕輕一觸，就能快速識別物體與人體，且在使用時(shí)，救援人員無(wú)需親自進(jìn)入現場(chǎng)即可判斷現場(chǎng)情況，并完成抓取、搬運物體的動(dòng)作?

記者獲悉，日前，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所和應急管理部上海消防研究所、中國科學(xué)院自動(dòng)化所、蘇州慧聞納米科技有限公司等單位合作，依托國家科技創(chuàng )新2030新一代人工智能重大項目，由中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所研究員陶虎團隊研發(fā)出“觸嗅一體仿生智能機械手”。在人體被瓦礫石堆覆蓋的場(chǎng)景下，該機械手可協(xié)助開(kāi)展應急救援。模擬救援情況下，智能機械手對包括人體在內的11種典型物體進(jìn)行了識別，準確率達96.9%。相關(guān)研究近日發(fā)表于《自然·通訊》雜志。

模仿鼴鼠 機械手實(shí)現觸嗅一體

為克服惡劣的環(huán)境，實(shí)現快速判斷，并靈活地完成任務(wù)，團隊做出了許多努力。救援環(huán)境中，往往需要在視覺(jué)受限的情況下判斷環(huán)境，針對這一情況，陶虎團隊第一時(shí)間想到了仿生技術(shù)。

長(cháng)期生活在地下的星鼻鼴鼠，面對地底黑暗的生活環(huán)境，進(jìn)化出了圍繞在鼻孔四周的星狀觸手。這些觸手巧妙地把觸覺(jué)和嗅覺(jué)結合在一起，幫助其捕獵或判斷危險。星鼻鼴鼠比較少見(jiàn)，研究人員并沒(méi)有在現實(shí)中見(jiàn)過(guò)，但在一些醫學(xué)領(lǐng)域，與其相關(guān)的研究文獻為團隊提供了極大的靈感。受星鼻鼴鼠“觸嗅融合”感知啟發(fā)，團隊將嗅覺(jué)、觸覺(jué)傳感器與機器學(xué)習算法融合，構建了仿星鼻鼴鼠觸嗅一體智能機械手。

這只“手”，不僅能摸，也會(huì )聞，更能結合兩種傳感器信息判斷周邊環(huán)境。觸覺(jué)傳感器通過(guò)在接觸撫摸中感知壓力的變化，可以采集到物體的硬度、輪廓和局部的樣貌信息。而嗅覺(jué)傳感器中裝有特定的氣敏材料，它們在接觸特定氣體后會(huì )產(chǎn)生電阻變化。特定的氣體組合又代表特定的物質(zhì)，例如硫化氫、氨氣等人體的特殊氣味。這些氣味就像人體的名片一樣，可顯著(zhù)區別于其他物體。救援人員只需操作機械手進(jìn)行觸摸，結合傳感器采集信息，就可以快速判斷被救人員的位置和機械手接觸的人體部位。

面對災害環(huán)境，團隊既要考慮機械手的耐用性也要考慮其作業(yè)速度，為此團隊選擇了觸嗅一體、聯(lián)合識別的道路。相較于美國麻省理工學(xué)院發(fā)表于《自然》的包含548個(gè)傳感器的單一觸覺(jué)感知研究，團隊通過(guò)融合70個(gè)觸覺(jué)傳感器、6個(gè)嗅覺(jué)傳感器，就達到了更理想的識別效果。采集信號的傳感器少了，通道數少了，后面的計算量也會(huì )變小，隨之而來(lái)的是整個(gè)系統判斷速度的加快。

并且該機械手在傳感器受損的情況下，也有較高的精準度。災害條件下，器械時(shí)常受損。得益于靈敏度超越人類(lèi)1個(gè)數量級的硅基MEMS氣體傳感器，以及探測限超越人類(lèi)1個(gè)數量級的壓力傳感器，機械手遠比人類(lèi)的手更靈敏。仿生智能機械手能在傳感器損壞率不超過(guò)50%時(shí)，通過(guò)算法的快速調節，保持超過(guò)80%的準確率。

復雜環(huán)境下 人類(lèi)手形是最佳選擇

完成了對于嗅覺(jué)、觸覺(jué)傳感器的選擇后，是什么使得團隊選擇了人手形的結構呢?

現代工業(yè)中，三指、四指機械爪可以勝任簡(jiǎn)單的抓取任務(wù)，比如生活中常見(jiàn)的夾娃娃機就是三指機械爪。

而團隊卻選擇了1個(gè)大拇指配合4個(gè)手指的五指結構，并且設計了多個(gè)可活動(dòng)關(guān)節。這是因為在復雜的掩埋環(huán)境下，廢墟中的物體形態(tài)各異，瓦礫、灰塵、泥土……多種元素挑戰著(zhù)救援工作，很多條件下，救援人員只能用手完成救援。而仿生機械手的搬運、抓取靈活度，是簡(jiǎn)單結構的機械手無(wú)法企及的。

對此，該論文第一作者、中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所博士生劉孟瑋表示，在設計之初，團隊也曾考慮過(guò)搭載傳感器的“蛇形”機械人，其細長(cháng)的結構可以輕松進(jìn)入被掩埋的廢墟。但人手的生理結構更能保證及時(shí)展開(kāi)救援。機械手在判斷現場(chǎng)環(huán)境后立刻就能進(jìn)行搬運抓取的動(dòng)作。且機械手由人類(lèi)控制，使用自己的仿生“器官”，更符合人的操作邏輯。

擁有了靈活的機械手，如何讓手與觸嗅感官有機結合，是接下來(lái)要面對的難題。機械手的材質(zhì)為確保耐用性，較為堅硬，而觸摸這一動(dòng)作，又需要“手”與物體有較高的貼合程度。為此，團隊選擇了硅基傳感器加柔性基底的形式，這類(lèi)柔性傳感器具有柔韌、可自由彎曲且占據空間較小等特點(diǎn)。二者結合，安裝在剛性的機械手上后，機械手就像人體的骨骼肌肉與皮膚一樣，“剛柔并濟”，協(xié)作進(jìn)行工作。

通過(guò)模擬測試 隨時(shí)可用于實(shí)戰

為了考驗機械手的實(shí)戰性能，科研人員與應急管理部上海消防研究所合作，通過(guò)在一線(xiàn)消防救援單位的實(shí)地調研，由陶虎團隊搭建了模擬場(chǎng)景，還原了災害現場(chǎng)有人體被掩埋的環(huán)境。

劉孟瑋表示，模擬環(huán)境的測試已證明機械手具備實(shí)戰能力。一旦出現緊急災害，機械手即可投入救援。目前機械手已具備基礎的仿生和傳感器功能，團隊還將深化研究，通過(guò)進(jìn)一步精進(jìn)傳感器和算法，機械手的觸覺(jué)傳感器將可以敏銳地捕捉人體的脈搏，就如中醫中的把脈一樣，輕輕捏住被困人員的人體部位，就可以即時(shí)測量被困人員脈搏，進(jìn)而判斷生命體征。此外，救援人員還可以將其安裝在智能機器人上，進(jìn)行更復雜的救援活動(dòng)。(吳天一 科技日報記者 王春)

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