机械手聪明是聪明,可还是不好用_智能_好奇心日报

John Markoff2014-09-04 16:43:49

传感器的进步将使我们可以更加精确地效仿人类皮肤,再加上视觉、触觉和运动学方面的算法的进步,下一代机器人一定会得到大幅度改进。

DaVinci 外科机器人的主机械手。

本文由《纽约时报》授权《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载。

 

加州斯坦福电 - 在工厂和仓库里,机器人往往在力量和精准度上超过人类。人工智能软件可以驾驶汽车、击败国际象棋大师,并且让《危险边缘(Jeopardy!)》(译注:美国一档益智问答节目)冠军一败涂地。

但是,有一个关键要素的缺乏,分分钟让机器无法超越人类大部分的能力:完美的触感。

尼古拉斯·布莱文斯博士(Dr. Nikolas Blevins)是斯坦福大学医院(Stanford Health Care)的头颈科外科医生,他经常要做耳部手术,因此需要熟练地刮掉骨头,留下像鸡蛋壳内膜一样薄的一层内表面。

布莱文斯博士正在和机器人专家 J·肯尼斯·萨利斯伯里(J. Kenneth Salisbury)、陈索尼(Sonny Chan)合作,设计一款可以在真正手术前把手术过程演练一遍的软件。这个项目结合了 X 光和核磁共振(MRI)数据,建立了一个生动的 3D 内耳模型,让外科医生可以练习在任意一块骨头上钻孔、看到患者脑袋内部的情况,并虚拟“感受”到软骨、骨头和软组织之间的细微差别。但无论做得多彻底、多精细,这款软件还只是能提供对布莱文斯博士敏锐触感最粗略的模拟。

“在进行虚拟外科手术的时候,真的需要有触觉才行,”他在提到可以实现用电脑模拟触感的技术时说。

软件的局限也是机器人学的局限,研究人员一直想让机器人完成人类日常依靠本能就能完成的动作,但这个愿望还没能实现。自从 1960 年代斯坦福人工智能实验室(Stanford Artificial Intelligence Laboratory)发明第一只机械臂之日起,机器人已经学会了完成重复性的工厂劳动,但它们还不能开门,跌倒时也无法自行站起来,也不会做掏硬币、转铅笔这类的动作。

这种头脑发达、四肢简单的情况甚至有它自己的名字:莫拉维克悖论(Moravec’s paradox)。机器人学先驱汉斯·莫拉维克(Hans Moravec)在 1988 年写道:“让电脑在智力测试或者跳棋对弈中表现出成人的水准相对比较容易,而让他们具备一岁小孩的洞察力和灵活性,却是一件非常难、甚至于不可能的事。”

机器人学和运动学有了很大进步,但如果我们想让机器人以人们所期待的角色与人互动,比如让它们当餐厅服务生、医疗护理员、办公室文秘和医疗助手,对联合体运动控制的研究就变得非常重要了。

 

 “它不仅花时间,而且很复杂,”加州大学伯克利分校机器人专家肯·高德博格(Ken Goldberg)在提到这方面的进步时说。“人类很擅长做这个,而且他们经历了数百万年的进化。”

触觉冲动

和其他感觉相比,触觉比一般人的想象更复杂。人类有一系列的器官来精确感知压力、纯粹的力、温度和振动。(德国研究人员已经发现,浣熊进化出了动物世界中最复杂的大脑功能,可以在黑暗中感知来自触觉的冲动。)研究表明,人类的触觉实际上比以往认为的还要精密好几个数量级。比如在去年秋天,瑞典科学家在《自然(Nature)》上发表文章称,动态的人类触觉——比如当指头滑过表面产生的触觉——可以分辨出比 13 纳米(或者说 0.0000005 英寸)更小的突起。

这个已经是分子级了。或者正像瑞典皇家理工大学(KTH Royal Institute of Technology)表面化学教授马克·鲁特兰(Mark Rutland)所说,如果人的指头有地球这么大的话,它就能分辨出一辆汽车和一幢房子之间的区别。生理学家们发现,手指和表面的互动是由一个叫机械敏感性受体(mechanoreceptor)的器官来探测的,这种受体埋藏在皮肤以下不同的深度,有些对物体的尺寸或形状敏感,有些对振动敏感。

在区分表面细微差别的例子里,起作用的是环层小体(Pacinian corpuscles),一种长约一毫米的椭圆形结构,当它们变形时,就会发出信号。

复制这种敏感度是机器人学的目标,这门科学正在连接起计算科学世界和人类世界,并发挥着越来越重要的作用。机器人学最重大的进展之一,是由机器人专家罗尼·阿波维茨(Rony Abovitz) 2004 年创立的 Mako Surgical 公司取得的。2006 年,Mako 公司开始推出一款机器人,它可以为修复患关节炎的膝盖关节的外科医生提供精准反馈。

 “我认为,触觉是结合机器智能和人类智能一种方式,它让机器和人都能做自己所擅长的事,因此这是一种有趣的共生,”阿波维茨说。他还说:


斯坦福大学的本科生测试可能产生振动的触觉带,从而可以让他们相应地调整自己的运动。

“(用了机器人以后,)外科医生有他的控制感,可以把力量灌注到动和推等动作里,但所有智能引导,以及你认为通常由外科医生完成的事情都由机器完成了。”

机器人带来的危险

就算在一直应用机器人的行业里,专家都会担心它们对在其旁边工作的人会有危险。机器人在美国已经导致了数十起工作场所的死伤事故,如果发生机器人革命的话,科学家们将不得不创造符合严格安全标准的机器——而且还不能太贵。

“在过去30年里,工业机器人一直坚守着一个标准:又快又便宜,”位于俄亥俄州索伦(Solon)的机器人公司 HDT Global 负责前沿项目的肯特·梅西(Kent Massey)说。“机器人要速度快、要性能好,但今天一只标准的机械臂既精准又坚硬又重,而且它们确实很危险。”

梅西的公司是许多正在生产更安全的机械臂的厂家之一。位于波士顿的 Rethink Robotics 和位于丹麦的 Universal Robots 都已经制造出了可能感应人类接触的“柔软型”机器人。Universal Robots 的机器人使用的是关节位置的感应器和软件相结合的形式,而 Rethink Robotics 的机器人使用的是“串联弹性制动器(series elastic actuators)”——本质上就是在关节处装了弹簧,它可以模仿人类肌肉和肌腱的柔软度以及听觉感应,因此当人靠近的时候,这种机器人的速度会变慢。

除了在基本安全性方面有必要的进展之外,科学家们还正在关注触觉的另一个微妙方面。去年,佐治亚理工学院(Georgia Tech)的研究人员发表期刊文章说,他们制造出了一种叫做 taxels 的微型晶体管束,它可以测量电荷的变化,从而产生机械作用力或压力的信号。他们的目标是设计出对触觉敏感的应用,包括给机器人和其他设备使用的人造皮肤。

许多研究关注视觉及其在触觉方面的作用。DaVinci Xi 是由 Intuitive Surgical Inc. 研发的最新一代外科机器人,它使用了高分辨率 3D 摄像机,让医生可以通过远程操纵微型外科设备,开展精细的手术。这家公司专注于为外科医生提供更好的视力,因为要让机器人在器官等软组织上手术时具备必要的触觉,目前的触觉技术还做不到。

柯特·萨利斯伯里(Curt Salisbury)是非盈利性研究机构斯坦福国际研究所(SRI International)研究工程师中的领军人物。他说,虽然外科医生可以依靠软组织给他的视觉反馈来理解他们手中的器械给出的力道,但要想仅靠视觉来达到这一目的,还有很长的路要走。

“当你看不到的时候,触觉的反馈就非常关键了,”他说。

其他研究人员相信,传感器的进步将使我们可以更加精确地效仿人类皮肤,再加上视觉、触觉和运动学方面的算法的进步,下一代机器人一定会得到大幅度改进。

爱德华多·托雷斯-亚拉(Eduardo Torres-Jara)就在为此努力着。他是马萨诸塞州伍斯特理工学院(Worcester Polytechnic Institute)机器人学副教授,他定义了一套被他称作“敏感机器人学(sensitive robotics)”的非传统理论。他还创造了一个机器人运动的模型,只要知道机器人的脚或者手触碰到地面或者物体的位置,就能掌握和操纵它。“这个模型就是为了识别触觉事件,并很好地理解触觉事件,”他说。他的机器人使用的是受到生物学启发而研发出的人造皮肤,可以感知到磁力的微小变化。借助这种皮肤,他已经制造出了一台两条腿的行走机器人,它能通过测量脚底变动的力度,实现平衡身体和大步走。

如果改善触觉表现靠的是更强大的运算能力的话,科学家们可能有救了。加州大学伯克利分校的机器人专家高德博格已经开始设计一套基于云计算的机器人系统,它可以通过互联网获取到强大的运算能力。

 

斯坦福大学医院头颈外科医生尼古拉斯·布莱文斯和大三学生霍林·卡洛韦(Hollin Calloway)正在使用触觉技术,它可以让外科医生通过 3D 软件开展工作。

“云机器人的想法让我非常激动,”他说。“它减弱了我们在计算能力方面一直存在的局限性。”

7 月,在美国国家科学基金会的资助下,来自布朗大学、康奈尔大学、斯坦福大学和加州大学伯克利分校的机器人专家定义了一个被称为“机器人大脑(Robo Brain)”的数据库,旨在提供一个基于互联网的信息库,来存放那些可以为机器人在现实世界中做动作提供支持的图像和视频。比如,任何一个联网的机器人或机械臂,都可以在上面找到如何识别、抓握和端起一只咖啡杯的资讯。

其他触觉研究者认为,人工复制的触觉将对自主型机器人和人类功能增强系统的发展产生巨大的影响。

去年秋天,斯坦福大学协作触觉和医学机器人实验室(Laboratory for Collaborative Haptics and Robotics in Medicine)负责机械工程的副教授艾莉森·冈村(Allison Okamura)教授了一门触觉方面的在线课程。在课上,学生把冈村、斯坦福大学教育学教授保罗·布林克斯坦(Paulo Blikstein)以及斯坦福大学本科生塔尼亚·莫利莫托设计的“触觉套件”装配起来,然后对其编程,制造出弹簧、调节风门等可以像在真实世界里一样操控的虚拟设备。

学生随后会做新的项目,对硬件做微调,并分享他们创造的项目。冈村说,可以看得出,他们对此是有热情的。

“如果你有所有的感觉——视觉、听觉、味觉、触觉和嗅觉——然后有人把它们一个一个地拿走,那你最后一个放弃的感觉会是什么?”她问。“几乎所有人都说是视觉,但我自己希望它是触觉。”


翻译 is译社

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