機(jī)器人可以被編程舉起一輛汽車，甚至幫助進(jìn)行一些手術(shù)，但當(dāng)涉及到拿起一個它們以前沒有接觸過的物體，比如雞蛋，它們往往會慘遭失敗。現(xiàn)在，工程師們已經(jīng)想出了一個人工指尖來克服這一限制。這一進(jìn)步使機(jī)器能像人類的指尖那樣感知這些表面的紋理。

來自倫敦大學(xué)學(xué)院的觸摸研究員Mandayam Srinivasan表示，研究人員正在“讓自然和人工觸摸領(lǐng)域更加接近......這是改進(jìn)機(jī)器人觸摸的必要步驟”。據(jù)悉，他并沒有參與這項(xiàng)工作。

工程師們長期以來一直在尋求使機(jī)器人像人一樣靈巧。一種方法是為它們配備人工神經(jīng)。但“機(jī)器人觸覺的現(xiàn)狀通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如人類的觸覺能力，”Srinivasan說道。

因此，當(dāng)布里斯托爾大學(xué)的研究人員在2009年開始設(shè)計(jì)人工指尖時，他們以人類皮膚為指導(dǎo)。他們的第一個指尖是手工組裝的，約有一個汽水罐那么大。到2018年，他們改用3D打印。這使得他們有可能將指尖及其所有部件做成成人大腳趾的大小并更容易創(chuàng)造出一系列接近人類皮膚多層結(jié)構(gòu)的層。最近，科學(xué)家們在指尖上加入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，他們稱之為TacTip。這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幫助機(jī)器人快速處理它所感應(yīng)到的東西并作出相應(yīng)的反應(yīng)--似乎就像一個真正的手指。

在我們的指尖，當(dāng)皮膚接觸到一個物體時一層神經(jīng)末梢會變形并告訴大腦正在發(fā)生什么。這些神經(jīng)會發(fā)出“快”的信號來幫助我們避免掉落東西，或發(fā)出“慢”的信號來傳達(dá)物體的形狀。

TacTip的等效信號來自橡膠表層下的一排針狀突起，這些突起在表面被觸碰時移動。該陣列的針狀物就像毛刷的刷毛：堅(jiān)硬但可彎曲。在這個陣列下面，除其他外還有一個攝像頭，它可以檢測到針腳何時以及如何移動。大頭針的彎曲程度負(fù)責(zé)提供慢信號，彎曲速度負(fù)責(zé)提供快信號。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將這些信號轉(zhuǎn)化為指尖的動作，如使其抓得更或調(diào)整指尖的角度。

芝加哥大學(xué)研究觸覺神經(jīng)元基礎(chǔ)的神經(jīng)科學(xué)家Sliman Bensmaia表示：“我們的很多觸覺都是由（皮膚的）機(jī)械結(jié)構(gòu)形成的。這種方法所做的是真正解決這個問題。”

在這項(xiàng)新工作中，布里斯托爾大學(xué)的工程師Nathan Lepora及其同事對人工尖端進(jìn)行了測試，測試方式跟研究人員評估一個人的觸覺一樣。他們測量了指尖接觸燈芯絨狀材料時相機(jī)的輸出，這些材料有著不同高度和密度的縫隙和脊線。該團(tuán)隊(duì)在發(fā)表在《Journal of the Royal Society Interface》上的報(bào)告指出，人工指尖不僅能夠檢測到縫隙和脊背，而且它的輸出跟接受同樣測試的人類指尖的神經(jīng)元信號模式密切相關(guān)。

然人工指尖并不像真正的McCoy那樣敏感。Lepora指出，人類可以檢測到像鉛筆的鉛那樣窄的縫隙，而TacTip需要兩倍的寬度才能注意到它。但他認(rèn)為，等到他和他的同事開發(fā)出更薄的外表面就會得到提高。

在第二個項(xiàng)目中，Lepora的團(tuán)隊(duì)為TacTip增加了更多的針腳和一個麥克風(fēng)。麥克風(fēng)模仿了我們皮膚深處的另一組神經(jīng)末梢，當(dāng)我們的手指穿過一個表面時，這些神經(jīng)末梢能感覺到振動。據(jù)悉，這些神經(jīng)末梢增強(qiáng)了我們感受表面粗糙程度的能力。

當(dāng)研究人員測試增強(qiáng)的指尖對13種織物的區(qū)分能力時，麥克風(fēng)也有著同樣的作用。Lepora指出，同樣，來自麥克風(fēng)和攝像機(jī)的信號模仿了人類手指在做這項(xiàng)測試時記錄的信號。

這些研究給Ko?大學(xué)從事可穿戴傳感器研究的機(jī)械工程師Levent Beker留下了深刻印象。“一只機(jī)器人手（現(xiàn)在）可以感知與人類手指類似的壓力和紋理信息。”

“這是一種非常有趣的方法，我認(rèn)為沒有人采取過這種方法，”Bensmaia補(bǔ)充道，“這非常酷。"然而，來自人工指尖和自然指尖的信號并不完全相同，因?yàn)檎鎸?shí)皮膚中的信號傳遞更加強(qiáng)烈。它只是適度地像皮膚。”

盡管如此，Bensmaia認(rèn)為這種指尖可以幫助機(jī)器人探測、撿起和操縱物體。他指出，這種可變形的橡膠指尖應(yīng)該給仿生手提供一條腿，或說比目前帶有僵硬的金屬手指和腳趾的設(shè)備更有優(yōu)勢。

今天的機(jī)器人必須經(jīng)過精確的編程才能安裝一個特定的汽車部件，且它們和手部保護(hù)裝置一樣，很難抓牢硬物如鋼筆或牙刷。Lepora指出，像TacTip這樣的指尖可以在無需變成的情況下讓機(jī)器人和假肢處理各種形狀和大小的物體。但Bensmaia指出，目前還不清楚它能在多大程度上實(shí)現(xiàn)小型化。

Lepora對TacTip的縮小持樂觀態(tài)度。攝像頭和麥克風(fēng)的尺寸一直在變小，而改進(jìn)的3D打印技術(shù)正在使更薄的層成為可能。他和Bensmaia都認(rèn)為這種更小的設(shè)備可能更接近人類的“感覺”，因?yàn)樗鼈儗⒛軌驒z測到更精細(xì)的紋理從而更加靈巧。

康奈爾大學(xué)的材料科學(xué)家Robert Shepherd則表示，從基本層面來看，這項(xiàng)研究正在幫助展示人類的觸覺是如何運(yùn)作的。他稱，Lepora和他的同事們基本上已經(jīng)弄清楚了皮膚的神經(jīng)末梢是如何翻譯它們的感覺，以使手指能夠抓住一個從我們指間滑過的球或拿起一個折紙鶴而不把它壓扁。