可以從感覺“疼痛”中學(xué)習(xí)的電子皮膚可以幫助創(chuàng)造具有人類敏感性的新一代智能機器人。格拉斯哥大學(xué)的一組工程師開發(fā)了一種基于“突觸晶體管”的新型處理系統(tǒng)的人造皮膚，該系統(tǒng)模仿大腦的神經(jīng)通路以進行學(xué)習(xí)。使用智能皮膚的機械手表現(xiàn)出非凡的學(xué)習(xí)對外部刺激做出反應(yīng)的能力。

在今天發(fā)表在《科學(xué)機器人》雜志上的一篇新論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾螛?gòu)建他們的原型計算電子皮膚( e-skin )，以及它如何改進當(dāng)前觸敏機器人技術(shù)。

幾十年來，科學(xué)家們一直致力于制造具有觸覺敏感性的人造皮膚。一種被廣泛探索的方法是在電子皮膚表面分布一系列接觸或壓力傳感器，以使其能夠檢測到它何時與物體接觸。

然后將來自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機進行處理和解釋。傳感器通常會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能需要時間才能得到正確處理和響應(yīng)，從而引入延遲，從而降低皮膚在現(xiàn)實世界任務(wù)中的潛在有效性。

格拉斯哥團隊的新型電子皮膚從人類周圍神經(jīng)系統(tǒng)如何解釋來自皮膚的信號中汲取靈感，以消除延遲和功耗。

一旦人體皮膚接收到輸入，周圍神經(jīng)系統(tǒng)就會在接觸點開始處理它，在將其發(fā)送到大腦之前將其簡化為僅重要信息。感覺數(shù)據(jù)的減少允許有效使用將數(shù)據(jù)發(fā)送到大腦所需的通信通道，然后大腦幾乎立即做出反應(yīng)，讓身體做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

為了構(gòu)建一種能夠進行高效計算、類似突觸反應(yīng)的電子皮膚，研究人員將由 168 個由氧化鋅納米線制成的突觸晶體管組成的網(wǎng)格直接打印到柔性塑料表面的表面上。然后，他們將突觸晶體管與存在于全關(guān)節(jié)的人形機器人手掌上的皮膚傳感器連接起來。

當(dāng)傳感器被觸摸時，它會記錄其電阻的變化——微小的變化對應(yīng)于輕微的觸摸，而較重的觸摸會產(chǎn)生較大的電阻變化。該輸入旨在模仿感覺神經(jīng)元在人體中的工作方式。

在早期的電子皮膚中，輸入數(shù)據(jù)將被發(fā)送到計算機進行處理。取而代之的是，內(nèi)置在皮膚中的電路充當(dāng)人工突觸，將輸入降低為簡單的電壓尖峰，其頻率根據(jù)施加在皮膚上的壓力水平而變化，從而加快反應(yīng)過程。

該團隊使用該電壓尖峰的不同輸出來教導(dǎo)皮膚對模擬疼痛的適當(dāng)反應(yīng)，這將觸發(fā)機器人手做出反應(yīng)。通過設(shè)置一個輸入電壓閾值以引起反應(yīng)，該團隊可以使機器人的手從手掌中心的尖銳刺拳中后退。

換句話說，它學(xué)會了通過模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)如何工作的機載信息處理過程來擺脫模擬不適的來源。

電子皮膚的開發(fā)是由 Ravinder Dahiya 教授領(lǐng)導(dǎo)的格拉斯哥大學(xué)可彎曲電子和傳感技術(shù) (BEST) 小組在柔性、可拉伸印刷表面方面的最新突破。

該大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的 Dahiya 教授說：“我們都在生命的早期就學(xué)會了對疼痛等意外刺激做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，以防止我們再次傷害自己。當(dāng)然，這種新形式的發(fā)展正如我們所知，電子皮膚并沒有真正涉及造成疼痛——它只是解釋從外部刺激中學(xué)習(xí)的過程的一種簡寫方式。

“通過這個過程，我們能夠創(chuàng)造出一種能夠在硬件層面進行分布式學(xué)習(xí)的電子皮膚，它不需要在采取行動之前將消息來回發(fā)送到中央處理器。相反，它極大地加速了通過減少所需的計算量來響應(yīng)觸摸的過程。

“我們相信，這是我們朝著創(chuàng)造能夠?qū)Υ碳ぷ龀鲞m當(dāng)反應(yīng)的大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)印刷電子皮膚的工作邁出的真正一步。”

BEST 小組成員、論文合著者劉豐元補充說：“未來，這項研究可能成為更先進的電子皮膚的基礎(chǔ)，使機器人能夠以新的方式探索和與世界互動。方式，或制造能夠接近人類觸覺敏感度的假肢。”

該團隊的論文題為“基于印刷突觸晶體管的電子皮膚讓機器人感受和學(xué)習(xí)”，發(fā)表在《科學(xué)機器人》雜志上。