哎喲好痛！痛覺機(jī)器人技術(shù)，讓人類與機(jī)器人更加安全

今年8月，雷鋒網(wǎng)將在深圳舉辦盛況空前的“全球人工智能與機(jī)器人峰會”，屆時雷鋒網(wǎng)將發(fā)布“人工智能&機(jī)器人Top25創(chuàng)新企業(yè)榜”榜單。目前，我們正在拜訪人工智能、機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)公司，從中篩選最終入選榜單的公司名單。

如果你也想加入我們的榜單之中，請聯(lián)系：2020@leiphone.com。

圖片來源：德國漢諾威大學(xué)。 

目前，機(jī)器人依然無法做到一些事情，其中之一就是它們無法感覺疼痛。正是因?yàn)檫@個原因，我們可以把機(jī)器人放到一些危險環(huán)境下工作，或者讓它們?nèi)プ鲆恍┤祟惒辉敢馊プ觯蚴菍θ祟惿型{的工作。不過，兩名來自德國漢諾威大學(xué)的德國研究人員相信，在某些情況下，感覺疼痛并對疼痛有所反應(yīng)，對機(jī)器人而言也許是個不錯的能力。 

這兩個研究人員開發(fā)了一套“人工機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)”，能夠教機(jī)器人去感覺疼痛，同時為了避免對他們的電機(jī)、齒輪或是電子元件產(chǎn)生損壞，這些機(jī)器人需要對疼痛快速做出反應(yīng)。上周，在瑞典首都斯德哥爾摩舉辦的IEEE機(jī)器人與自動化國際會議（IRA）上，他們展示了這個項(xiàng)目。

為什么讓機(jī)器人感覺疼痛是個好想法呢？在研究員Johannes Kuehn來看，這個問題的答案其實(shí)和“為什么讓人類感覺疼痛是個好想法”的答案是一樣的。“疼痛，是一個保護(hù)我們的系統(tǒng)，”他說道，“當(dāng)我們避開疼痛源，就能幫助我們不受傷害。”那些無法感受到疼痛的人，往往更容易受傷，因?yàn)樗麄兊纳眢w對受到的傷害無法及時做出本能反應(yīng)。

Kuehn是和Sami Haddadin教授一起開發(fā)該項(xiàng)目的。Sami Haddadin教授是世界上最著名的物理人機(jī)交互和安全專家之一。Kuehn表示，通過保護(hù)機(jī)器人免受損害，他們的系統(tǒng)也可以保護(hù)人類。我們知道，機(jī)器人的數(shù)量在不斷增長，在很多情況下，它們會和人類工人近距離工作，一些無法監(jiān)測到的機(jī)器人設(shè)備損壞，可能會導(dǎo)致生產(chǎn)事故，并給人類工人安全帶來威脅。Kuehn和Haddadin推斷，如果我們?nèi)祟惖纳餀C(jī)制能夠如此有效地感受、回應(yīng)疼痛，為什么不設(shè)計(jì)一個能夠模擬疼痛生物機(jī)制的仿生機(jī)器人控制器呢？這種控制器可以反射性地反應(yīng)疼痛，繼而在有潛在危險的交互中保護(hù)機(jī)器人。

實(shí)際上，這種機(jī)器人反射控制器的想法并不是新概念。大約在五年前，Torsten Kroeger和他在斯坦福大學(xué)及羅馬大學(xué)的同事La Sapienza就一起開發(fā)了類似的控制器，幫助機(jī)器人手臂避免和人類發(fā)生碰撞。

圖片來源：視頻截圖

你可以點(diǎn)擊鏈接觀看這個視頻，其中可以看到，控制器能讓機(jī)器人避免和人類發(fā)生碰撞，不過這些設(shè)備的設(shè)計(jì)初衷都是防止機(jī)器人碰到人類，但是卻完全沒有考慮機(jī)器人自身的安全（除了一些附產(chǎn)品）。事實(shí)上，設(shè)計(jì)一個能夠感覺疼痛、并對疼痛產(chǎn)生反應(yīng)的人工智能機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)是完全不同的事情，它需要基于人類如何應(yīng)對疼痛觸感，正如Kuehn和Haddadin在他們ICRA論文中所寫道的： 

機(jī)器人需要有能力檢測、區(qū)分一些無法預(yù)知的物理狀態(tài)和擾動，對于那些可能對自己產(chǎn)生潛在傷害的情況，機(jī)器人需要進(jìn)行評級，并采取適當(dāng)?shù)膶Σ撸簿褪欠瓷洹榱藢?shí)現(xiàn)這個目標(biāo)需求，人類原型成為了我們的靈感，這意味著，人類對疼痛的反射動作將會用于設(shè)計(jì)機(jī)器人疼痛感覺模型和反應(yīng)控制。基于對人類疼痛研究的理解，我們專注于將機(jī)器人的疼痛感覺“范化”，作為對觸感的一種解釋。

圖片來源：視頻截圖

點(diǎn)擊鏈接觀看這段視頻，其中展示了一個在Kuka手臂上的控制器原型是如何運(yùn)行的，這個控制器搭載了一個“生物觸覺指尖傳感器”，它可以感受壓力和溫度。筆者似乎能感受到一個機(jī)器人發(fā)出“噢，好疼！”的叫聲，而且隨著疼痛感越來越強(qiáng)烈，它的叫聲每次也會越來越高：

這個機(jī)器人觸覺系統(tǒng)使用了一個“受到人類皮膚結(jié)構(gòu)啟發(fā)的神經(jīng)機(jī)器人組織模型”，該模型可以決定在某一量級的受力時，機(jī)器人應(yīng)該感受多少疼痛。就像人類神經(jīng)元，當(dāng)受力超過一定的臨界值，這個模型會將重復(fù)傳遞疼痛信息峰值，此時疼痛控制器會根據(jù)疼痛信息分類做出反應(yīng)，疼痛分類包括輕度、中度、以及重度疼痛。

在【輕度】疼痛級別，這種接觸發(fā)生時可能會傷到機(jī)器人，或者，當(dāng)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時要預(yù)防這種疼痛出現(xiàn)。機(jī)器人“感到”不舒服，應(yīng)該平穩(wěn)地縮回操作，直到接觸結(jié)束。強(qiáng)烈碰撞屬于【中度】疼痛級別。機(jī)器人“感覺”中度疼痛，應(yīng)該快速縮回操作，遠(yuǎn)離疼痛源，直到接觸結(jié)束。之后，機(jī)器人可以選擇退回，終止操作。【重度】疼痛級別包含了所有可能對機(jī)器人產(chǎn)生損害的接觸，此時的機(jī)器人可能需要“求助”才能避免疼痛。為了防止這種損害造成更大傷害，機(jī)器人要切換到有額外阻尼的重力補(bǔ)償，以此耗散疼痛，通過其嚴(yán)格的被動行為，改善機(jī)器人安全性和機(jī)器人的使用環(huán)境。

在生物感知和控制方面，Kuehn和Haddadin的論文首次探討了基于疼痛的機(jī)器人反射控制器，盡管這種情況聽上去似乎充滿了災(zāi)難感，但該技術(shù)卻能讓絕大多數(shù)機(jī)器人從中受益，不僅能夠提升機(jī)器人自主性，而且還能確保機(jī)器人和人類工人協(xié)同工作時的安全性。當(dāng)然，確保機(jī)器人不會傷害人類才是重中之重，但如果我們想要讓機(jī)器人安全地在我們?nèi)祟惿磉叧霈F(xiàn)，首先要讓機(jī)器人能確保自己不受傷害。

 

VIA IEEE Spectrum

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。