大數(shù)據(jù)文摘出品

作者：Caleb

機(jī)器人見多了，你見過這種嗎？

帶有電子毛發(fā)，可以感知甚至預(yù)測觸摸方向。

是的，就像人類一樣。

雖然有點(diǎn)“黑科技”，但是開姆尼茨理工大學(xué)納米電子材料系統(tǒng)教授、材料、結(jié)構(gòu)和納米膜集成研究中心(MAIN)科學(xué)主任Oliver G. Schmidt教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)探索出了一種新的途徑來開發(fā)極其敏感和方向相關(guān)的3D磁場傳感器，該傳感器可以集成到電子皮膚系統(tǒng)(有源矩陣)中。

該團(tuán)隊(duì)使用了一種全新的方法來實(shí)現(xiàn)3D設(shè)備陣列的小型化和集成，并朝著模仿人類皮膚的自然觸感邁出了重要一步。

MAIN施密特教授研究小組的博士生、該研究的第一作者Christian Becker說：“我們的方法允許在3D中精確的空間布置功能傳感器元件，可以在并行制造過程中大規(guī)模生產(chǎn)。這樣的傳感器系統(tǒng)很難通過已建立的微電子制造方法生成。”

相關(guān)研究登上了最新一期的Nature Communications雜志。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29802-7

折紙技術(shù)將3D傳感器與微電子電路集成

研究團(tuán)隊(duì)提出的傳感器系統(tǒng)的核心是所謂的各向異性磁阻(AMR)傳感器。

AMR傳感器主要用于精確確定磁場的變化，目前多用于汽車中的速度傳感器，或確定各種機(jī)器中運(yùn)動部件的位置和角度。

為了開發(fā)高度緊湊的傳感器系統(tǒng)，研究人員利用了所謂的“微型折紙工藝”(micro-origami process)。該過程用于將AMR傳感器組件折疊成三維架構(gòu)，可以解析三維的磁場矢量場。微型折紙?jiān)试S大量微電子元件安裝在狹小的空間中，并將它們排列成任何傳統(tǒng)微加工技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀。

“微型折紙工藝開發(fā)于20多年前，很高興看到這種技術(shù)的全部潛力現(xiàn)在可以用于新型微電子應(yīng)用。”O(jiān)liver G. Schmidt教授感嘆到。

研究團(tuán)隊(duì)將3D微型折紙磁傳感器陣列集成到單個有源矩陣中，其中每個單獨(dú)的傳感器都可以通過微電子電路方便地尋址和讀取。

“有源矩陣磁傳感器與自組裝微型折紙架構(gòu)的結(jié)合是一種全新的方法，可將高分辨率3D傳感系統(tǒng)小型化和集成?！盌aniil Karnaushenko博士表示，他對項(xiàng)目中的概念、設(shè)計(jì)和實(shí)施都做出了決定性貢獻(xiàn)。

微小的毛發(fā)實(shí)時預(yù)測和感知觸摸方向

據(jù)了解，該研究團(tuán)隊(duì)已成功地將帶有磁根細(xì)毛的3D磁場傳感器集成到人造電子皮膚中。

電子皮膚由彈性材料制成，其中嵌入了電子設(shè)備和傳感器，這類似于與神經(jīng)交織的有機(jī)皮膚。

當(dāng)頭發(fā)被觸摸和彎曲時，底層的3D磁傳感器可以檢測到磁根的運(yùn)動和確切位置。也就是說，傳感器矩陣不僅能夠記錄頭發(fā)的裸露運(yùn)動，還可以確定運(yùn)動的確切方向。與真實(shí)的人類皮膚一樣，電子皮膚上的每一根頭發(fā)都成為一個完整的傳感器單元，可以感知和檢測附近的變化。

3D磁傳感器與磁發(fā)根之間的實(shí)時磁機(jī)耦合通過電子皮膚系統(tǒng)提供了一種新型的觸敏感知。當(dāng)人類和機(jī)器人緊密合作時，這種能力非常重要。例如，機(jī)器人可以在有意接觸或意外碰撞即將發(fā)生之前，提前感知與人類同伴的交互，并提供許多細(xì)節(jié)。

機(jī)器人的擬人化

近年來，機(jī)器人的擬人化逐漸成為新的發(fā)展趨勢。

比如英國Engineered Arts團(tuán)隊(duì)去年推出的機(jī)器人Ameca，團(tuán)隊(duì)稱之為“機(jī)器人技術(shù)的未來一面”，代表了人類機(jī)器人技術(shù)的最高水準(zhǔn)。

看看這宛如CG特效一樣的動作表情，難怪不少網(wǎng)友都想到了恐怖谷效應(yīng)。

據(jù)了解，機(jī)器人的硬件和軟件都是模塊化運(yùn)行的，很容易進(jìn)行升級迭代，也可以獨(dú)立運(yùn)行，也就是說，有時候我們甚至不需要一個完整的機(jī)器人，可以只控制頭部，或者手臂，就能完成需求。

項(xiàng)目組介紹，AI目前通常還只是代碼層面的內(nèi)容，不像栩栩如生的機(jī)器人成品那樣能體現(xiàn)出戲劇性。但在軟件層面，有了AI程序和硬件層面的仿真表情技術(shù)積累，Ameca可以與任何人建立即時的融洽關(guān)系。

目前Ameca的全套運(yùn)動設(shè)備還僅限于上半身，下半身仍在開發(fā)中。

除此之外，2021年，美國的創(chuàng)意機(jī)器實(shí)驗(yàn)室(CreativeMachines Lab At Columbia Engineering)發(fā)表了關(guān)于EVA機(jī)器人的研究。這種新型機(jī)器人擁有一張柔軟而富有表現(xiàn)力的臉，可以對微笑等表情做出回應(yīng)。

據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)使用了3D打印來制造零件，這些精準(zhǔn)復(fù)雜的零件與EVA的頭骨無縫結(jié)合在一起。經(jīng)過數(shù)周調(diào)試，EVA可以做出微笑、皺眉或是看起來心煩意亂的表情，這些表情具有一定真實(shí)性。隨后，研究人員開始指導(dǎo)EVA使用人工智能對面部運(yùn)動進(jìn)行編程，通過“觀看”表情類視頻，通過人工智能“閱讀”他人表情，然后反映在自己“臉”上。

就像這樣：

1970年，描繪人類對機(jī)器人和非人類物體感覺的恐怖谷效應(yīng)問世。該理論指出，如果一個實(shí)體“不夠擬人”，那它的類人特征 (如毛絨娃娃的臉部)就會顯眼并且容易辨認(rèn)，容易獲得人類的好感。相反，如果一個實(shí)體“足夠擬人”，那它的非類人特征就會成為顯眼的部分，在人類觀察者眼中產(chǎn)生一種古怪的感覺。

如今，隨著科技的進(jìn)步，基于恐怖谷效應(yīng)，在比人型機(jī)器人更加擬真的領(lǐng)域，一些研究成果都會被劃入恐怖谷的底端，給人那種毛骨悚然的感覺。

但或許未來某天，恐怖谷效應(yīng)會隨著技術(shù)的開發(fā)而被超越，對此我們拭目以待。

相關(guān)報道：

• https://www.theengineer.co.uk/content/other/artificial-hairs-provide-added-sensitivity-to-e-skin
• https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-10781647/Scientists-developing-robot-electronic-HAIRS-mimic-natural-touch-human-skin.html