機器人必須找到物體，推導(dǎo)其形狀，確定正確的使用強度并抓住物體而無需讓它滑倒。當今大多數(shù)機器人僅基于視覺處理來操作，這限制了它們的功能。為了執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，機器人必須配備出色的觸覺以及能夠快速，智能地處理感官信息的能力。

新加坡國立大學(xué)（NUS）的計算機科學(xué)家和材料工程師團隊最近展示了一種使機器人更智能的令人興奮的方法。他們開發(fā)了一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感官集成人工大腦系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在高能效的神經(jīng)形態(tài)處理器（例如英特爾的Loihi芯片）上運行。這種新穎的系統(tǒng)集成了人工皮膚和視覺傳感器，使機器人能夠根據(jù)視覺和觸摸傳感器實時捕獲的數(shù)據(jù)得出關(guān)于所握持物體的準確結(jié)論。

“近年來，機器人操縱領(lǐng)域取得了長足進步。但是，融合視覺和觸覺信息以在毫秒內(nèi)提供高精度的響應(yīng)仍然是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。我們最近的工作將我們的超快電子皮膚和神經(jīng)系統(tǒng)與機器人視覺感測和AI方面的最新創(chuàng)新，使它們在物理交互方面變得更智能，更直觀。”新國大材料科學(xué)與工程系助理教授Benjamin Tee說。他與國大計算機學(xué)院計算機科學(xué)系的助理教授Harold Soh共同領(lǐng)導(dǎo)了這個項目。

機器人類似人的觸覺

在機器人技術(shù)中啟用類似于人的觸摸感可以大大改善當前的功能，甚至帶來新的用途。例如，在工廠車間，裝有電子皮膚的機械臂可以很容易地適應(yīng)不同的物品，通過觸覺感應(yīng)以適當?shù)膲毫ψR別并抓住不熟悉的物體以防止打滑。

在新的機器人系統(tǒng)中，NUS團隊采用了由Aste Tee教授及其團隊在2019年開發(fā)的先進人工皮膚，稱為異步編碼電子皮膚（ACES）。這種新型傳感器的觸摸速度比人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)快1000倍以上。它也可以識別物體的形狀，質(zhì)地和硬度，比眨眼快十倍。

來自Tee的Asst教授補充說：“制造超快速的人造皮膚傳感器可以解決使機器人變得更聰明的難題。他們還需要一個人造大腦，最終可以實現(xiàn)感知和學(xué)習(xí)，這是難題中的另一個關(guān)鍵部分?！眹笮l(wèi)生創(chuàng)新技術(shù)研究所。

機器人般的人腦

為了在機器人感知方面開辟新天地，NUS團隊探索了神經(jīng)形態(tài)技術(shù)（一種模擬人類大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)和操作的計算領(lǐng)域）來處理來自人造皮膚的感覺數(shù)據(jù)。由于Tee教授和Soh教授都是Intel Neuromorphic研究社區(qū)（INRC）的成員，因此自然而然地選擇將Intel的Loihi神經(jīng)形態(tài)研究芯片用于他們的新機器人系統(tǒng)。

在他們的最初實驗中，研究人員將一只機器人手戴上了人造皮膚，并用它來讀取盲文，然后將觸覺數(shù)據(jù)通過云傳遞給Loihi,將手所感覺到的微微凸起轉(zhuǎn)化為語義。在對盲文字母進行分類時，Loihi的準確性達到了92％以上，而功耗卻是普通微處理器的20倍。

Soh教授助理的團隊通過在尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合視覺和觸摸數(shù)據(jù)來提高機器人的感知能力。在實驗中，研究人員要求配備了人造皮膚和視覺傳感器的機器人對裝有不同量液體的各種不透明容器進行分類。他們還測試了系統(tǒng)識別旋轉(zhuǎn)滑移的能力，這對于穩(wěn)定抓握至關(guān)重要。

在這兩個測試中，使用視覺和觸摸數(shù)據(jù)的尖刺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ξ矬w進行分類并檢測物體的滑移。該分類比僅使用視覺的系統(tǒng)準確10％。而且，使用Soh教授團隊開發(fā)的技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在積累感官數(shù)據(jù)時對其進行分類，這與傳統(tǒng)的方法是在完全收集數(shù)據(jù)后對其進行分類不同。此外，研究人員展示了神經(jīng)形態(tài)技術(shù)的效率：Loihi處理傳感數(shù)據(jù)的速度比性能最高的圖形處理單元（GPU）快21％，而功耗卻降低了45倍以上。

　Soh教授表示：“我們對這些結(jié)果感到興奮。它們表明，神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)是組合多個傳感器以改善機器人感知力的有前途的難題。這是構(gòu)建可響應(yīng)的高能效且值得信賴的機器人的一步在意外情況下迅速而適當?shù)剡M行。”

“新加坡國立大學(xué)的這項研究使人對機器人技術(shù)的未來有了深刻的了解，在該技術(shù)中，以事件驅(qū)動的方式結(jié)合多種方式來感知和處理信息。這項工作增加了越來越多的結(jié)果，表明神經(jīng)形態(tài)計算可以提供一旦對整個系統(tǒng)進行了基于事件的范例，包括傳感器，數(shù)據(jù)格式，算法和硬件體系結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，就可以顯著提高延遲和功耗?！庇⑻貭柹窠?jīng)形態(tài)計算實驗室主任Mike Davies先生說。

這項研究得到了國家機器人研發(fā)計劃辦公室（NR2PO）的支持，該機構(gòu)通過資助研發(fā)（R＆D）來培育新加坡的機器人生態(tài)系統(tǒng)，以增強機器人技術(shù)和解決方案的就緒性。NR2PO的R＆D投資的主要考慮因素包括在公共部門中具有影響力的應(yīng)用程序的潛力，以及為我們行業(yè)創(chuàng)造差異化能力的潛力。

展望未來，Tee教授和Soh教授計劃進一步開發(fā)其新穎的機器人系統(tǒng)，以用于對機器人自動化有很高需求的物流和食品制造行業(yè)，尤其是在后COVID時代。