挑軟柿子捏！新型機器人假肢手是如何做到的？

導讀

目前，市面上絕大多數的機器人都是通過「機械化」的方式，完成抓握和觸覺感知。但是，這種方式過於呆板僵硬。康奈爾大學的一個研究小組設計了一種新方法，使得柔性機器人「可內在」地感知周圍環境，這點和人類很相似。

博士生 Shuo Li 和光電支配的假肢握手

（圖片來源於: Huichan Zhao ）

相關論文和研究團隊

機械和航空航天工程助理教授、有機機器人實驗室的首席調查員 Robert Shepherd 領導的研究小組，發表了一篇論文，描述了可伸縮的彈性光波導，在柔性機器人手中，起到了「彎曲、延伸和力量感測器」的作用。

博士生 Huichan Zhao 是這篇題為「通過可伸縮的光波導製成的光電支配的柔性假肢手」論文的領導作者，這篇論文於12月6日，發表於《科學機器人》雜誌的首版，論文的其他貢獻者還有博士生 Kevin O"Brien 和 Shuo Li，他們都來自 Shepherd 的實驗室。

它與傳統機器人感測器什麼區別？

對於這個問題，Zhao 這麼說：

「目前，大多數的機器人在「身體外部」具有感測器，能夠從表面上識別物體。然而，我們的感測器集成在「身體內部」。所以，它們實際上可以識別通過機器人厚度傳遞過來的力量，就像我們和所有生物感受到疼痛時那樣。」

相關核心技術

光波導自從1970年代，就開始廣泛應用於各種感知功能，例如觸覺、位置、聲學。起初，製造工藝很複雜，但是過去20年來，軟光刻技術和三維列印技術，導致了「彈性體」感測器的開發。這種感測器便於製造，也容易集成到柔性機器人應用中。

製造工藝和原理簡介

Shepherd 的研究小組，使用了四步軟光刻工藝，製造內核（光通過它傳輸），以及包層（波導的外表面），發光二極體（LED）和 光電二極體位於包層中。

基本原理是這樣的：「假肢手變形的越厲害，光線通過內核時損耗的就越多。光線損耗的量，被光電二極體檢測到，這樣就讓假肢可以「感知」周圍物體」。

Shepherd 認為：

「如果在我們彎曲假肢時，沒有光線損耗，我們無法獲取任何關於感測器的數據。光線損耗的程度，取決於它彎曲的程度。」

(A) 假肢手結構和組件的示意圖; (B)安裝在機器人手臂上的假肢手

（圖片來源於: 康奈爾大學 ）

識別西紅柿成熟度

研究小組使用這種光電假肢，可以完成各種任務，包括：抓握和感知各種形狀和材質的物體。最引人矚目的是，假肢手能夠觸摸三個西紅柿，然後通過柔軟度，來判斷其成熟程度。下面結合幾張視頻圖片，介紹一下機器人識別物體（幾個西紅柿）的過程：

第一步：側面觸摸西紅柿，掃掠一遍。

（圖片來源於: 康奈爾大學 ）

第二步：對西紅柿進行按壓

（圖片來源於: 康奈爾大學 ）

第三步：根據柔軟度挑出成熟的那個

（圖片來源於: 康奈爾大學 ）

應用前景和未來展望

Zhao 稱，這項技術除了假肢外，具有很多潛在的應用，例如仿生機器人。Shepherd 和 機械和航空工程系副教授 Mason Peck，一起進行了用於太空探索的應用開發。

通過和Peck的合作，Shepherd 說道：

「這個項目沒有知覺反饋，但是我們還是使用了感測器，實時檢測其在氧化「通過電解裝置」期間發生的形狀變化，從而開發更佳的動作序列，讓它行動的更快。」

未來，關於光波導在柔性機器人領域的研究，將專註於增加感知能力，通過「3D列印技術製造更複雜的感測器形狀」，通過「機器學習解耦來自更多數量感測器的信號」。

參考資料

【1】http://mediarelations.cornell.edu/2016/12/12/new-robot-has-a-human-touch/

【2】Huichan Zhao et al. Optoelectronically innervated soft prosthetic hand via stretchable optical waveguides, Science Robotics (2016). DOI:10.1126/scirobotics.aai7529