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 印象中，機器人似乎都不懼怕刀山火海，它們毫無痛覺，簡直是妥妥的“工具人”。然而近日，來自新加坡南洋理工大學(NTU Singapore)的科學家和其合作者在一項突破性研究中，采用一種類腦方法，幫助機器人具有了識別疼痛并在受損時進行自我修復的能力。

該系統具有支持 AI 的傳感器節點，可以處理并響應由物理力施加的壓力引起的“疼痛”，還允許機器人在“受輕傷”時檢測并修復自身的損壞，而無需人工干預。研究論文已在線發表在 Nature 子刊Nature Communications 上。

（來源：Nature Communications）

當傳感器網絡遇上憶阻晶體管
目前，機器人系統通常使用傳感器網絡來生成有關其周圍環境的信息。例如，災難救援機器人使用攝像頭和麥克風傳感器在廢墟下尋找幸存者，然后在其手臂上的觸摸傳感器的引導下將受困人員救出。在流水線上工作的工廠機器人，則使用視覺傳感器將機械臂引導到正確的位置，并通過觸摸傳感器來確定“手”上的物體是否在滑移。

而傳感器通常不負責處理信息，僅僅將數據發送到發生學習行為的單個、大型、強大的中央處理器(CPU)中。因此，現有的機器人通常布線繁瑣，響應時間存在延遲。它們還擁有一顆“玻璃心”，非常容易“受傷”。

論文作者之一 Arindam Basu 說：“一個值得關注的問題是，人類在與機器人共同工作時，如何確保機器人能夠與我們安全地互動。因此，世界各地的科學家一直在尋找使機器人具有感知能力的方法，比如“感覺”疼痛，做出反應并承受惡劣的工作條件，但是，將眾多傳感器組合在一起所產生的復雜性和復雜系統本身的脆弱性，是傳統方法被廣泛采用的主要障礙。”

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(來源：新加坡南洋理工大學)

而新的方法將 AI 嵌入到傳感器節點網絡中，從而教會機器人如何識別疼痛并對破壞性的刺激作出反應。

首先，研究團隊對憶阻晶體管(memtransistor)進行了創新，其功能如同人腦神經元中的多個突觸，能夠使神經網絡擁有成千上萬的類似連接。

然后，他們將這種憶阻晶體管內置于衛星閾值調整接收器(Satellite Threshold Adjusting Receptors，STARs)中，使其成為能夠記憶和處理信息的“類腦”電子設備。在此系統中，它們被作為機器人的 AI 疼痛感受器和突觸。

(來源：Nature)

圖|所有的學習都在一個強大的大型中央處理器上進行(左);而在新研究所提出的分散方法中，學習行為被嵌入到各個傳感器節點中(右)

AI 與多個較小的，功能較弱的處理單元相連接，就像分布在機器人皮膚上的“迷你大腦”一樣。科學家們表示，這意味著學習行為直接在本地進行，并且這種機器人的布線要求和響應時間比傳統機器人減少了5-10倍。

新一代機器人的法寶：自愈

我們知道，傳統機器人有一個非常影響工作效率的缺陷，即當被鋒利的物體劃傷時，機器人會迅速失去機械功能，并且需要人工修復，既費時又耗錢。

而此系統的另一大創新則為彌補該缺陷帶來了希望——使用一種可自我修復的離子凝膠材料(ion gel material)。該離子凝膠材料的基本理念是將電極、可拉伸的聚合物與離子液體結合在一起。離子-偶極子(ion–dipole)相互作用，就可以增加聚合物上帶電離子和極性基團之間的作用力，并且隨著離子電荷或分子極性的增加而增加。

(來源：Nature官網)

圖 | 在 STARs 和衛星重量調整電阻記憶(SWARMS)中加入自我修復的離子凝膠，當受到損傷時，它們會自我愈合(a);受到損傷時，離子液體包裹體通過塑化機制(掃描電子顯微鏡[SEM]圖像)改善聚合物外殼的熱遷移率，從而觸發自愈過程 (b)因此，當機器人受到損壞時，比如出現劃傷或機械破壞，則自修復離子凝膠中的分子就會開始相互作用，使得機器人將其傷口“縫合”在一起，并在保持高響應性的同時重新恢復功能。

論文作者之一 Rohit Abraham John 說：“這些新型設備的自我修復特性可以幫助機器人系統在劃傷或刮傷時，即使在室溫條件下也能反復將傷口“縫合”起來。這類似于我們人類的生物系統運作方式，就像人類皮膚能夠自行愈合一樣。”

在一個公開視頻中，研究團隊展示了機器人如何實時學習對傷害的反應。

他們首先拔掉了機器人的電極線(代表受到外界傷害)。

然后，再人工向機器人施加壓力，可以看到，即使在損壞后，機器人仍能繼續對壓力作出反應，這證明了系統的自愈性和魯棒性。

正如論文作者之一 Nripan Mathews 所說：“團隊采用了不同尋常的方法，通過在機器人身上應用新的學習材料、設備和制造方法來模仿人類的神經生物學功能。盡管這一研究仍處于原型階段，但為該領域提出了一個重要的框架，為研究人員應對這些挑戰指明了新的方向。”

最后，對于自己“忍痛”為科學進步所作出的貢獻，當事機器人表示：🙂(很樂意的意思)(此觀點僅為學術君的大膽猜測，真相如何請咨詢當事“人”)