人們可能認(rèn)為柔軟度是理所當(dāng)然的，但它在許多行為和互動(dòng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用——從判斷鱷梨的成熟度到進(jìn)行醫(yī)療檢查，或者握住親人的手。但理解和再現(xiàn)柔軟感知是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗婕叭绱硕嗟母杏X和認(rèn)知過程。

機(jī)器人研究人員試圖用觸覺設(shè)備來解決這一挑戰(zhàn)，但之前的嘗試并沒有區(qū)分柔軟度感知的兩個(gè)主要元素：皮膚線索(來自指尖皮膚的感覺反饋)和動(dòng)覺線索(關(guān)于施加在手指上的力大小的反饋)。指關(guān)節(jié))。

“如果你用指尖按壓棉花糖，很容易看出它很軟。但如果你把一塊硬餅干放在棉花糖上面并再次按下，即使你的指尖接觸到堅(jiān)硬的表面，你仍然可以看出軟棉花糖在下面。”可重構(gòu)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的博士生 Mustafa Mete 解釋道。在工程學(xué)院。“我們想看看是否可以創(chuàng)建一個(gè)可以做同樣事情的機(jī)器人平臺(tái)。”

Jamie Paik 領(lǐng)導(dǎo)的 RRL 憑借 SORI(柔和度渲染接口)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。通過解耦皮膚和動(dòng)覺線索，SORI 忠實(shí)地再現(xiàn)了一系列真實(shí)材料的柔軟度，填補(bǔ)了機(jī)器人領(lǐng)域的空白，使許多柔軟感覺至關(guān)重要的應(yīng)用成為可能——從深海探索到機(jī)器人輔助手術(shù)。

該研究發(fā)表在《國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

我們對(duì)柔軟的感覺各有不同

梅特解釋說，神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)研究表明，皮膚線索很大程度上取決于皮膚與表面的接觸程度，這通常部分與物體的變形有關(guān)。換句話說，包圍指尖面積更大的表面會(huì)讓人感覺更柔軟。但由于人類指尖的大小和硬度差異很大，一根手指可能比另一根手指與特定表面的接觸更多。

“我們意識(shí)到，由于我們的手指形狀不同，我感受到的柔軟度可能與您感受到的柔軟度不同。因此，在我們的研究中，我們首先必須開發(fā)指尖及其接觸表面的幾何形狀參數(shù)，以便估計(jì)指尖的柔軟度線索，”Mete 解釋道。然后，研究人員從一系列不同材料中提取柔軟度參數(shù)，并將兩組參數(shù)映射到 SORI 設(shè)備上。

SORI 以 RRL 的商標(biāo)折紙機(jī)器人研究為基礎(chǔ)，該研究推動(dòng)了可重構(gòu)環(huán)境和觸覺操縱桿的衍生產(chǎn)品，SORI 配備了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的折紙關(guān)節(jié)，可以調(diào)節(jié)以變得更硬或更柔軟。位于關(guān)節(jié)頂部的是一層帶凹痕的硅膠膜。氣流使薄膜不同程度地膨脹，以包圍位于其中心的指尖。

憑借這種動(dòng)覺和皮膚功能的新穎解耦，SORI 通過對(duì)兩名人類志愿者進(jìn)行的多次實(shí)驗(yàn)，成功地再現(xiàn)了一系列材料的柔軟度，包括牛肉、鮭魚和棉花糖。它還模仿具有柔軟和堅(jiān)硬屬性的材料(例如棉花糖上的餅干，或皮革裝訂的書)。在一項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)中，SORI 甚至重現(xiàn)了心臟跳動(dòng)的感覺，以證明其渲染軟材料運(yùn)動(dòng)的功效。

因此，醫(yī)學(xué)是該技術(shù)潛在應(yīng)用的主要領(lǐng)域;例如，訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生檢測癌性腫瘤，或者為使用機(jī)器人執(zhí)行手術(shù)的外科醫(yī)生提供重要的感官反饋。

其他應(yīng)用包括機(jī)器人輔助的太空或深海探索，該設(shè)備可以使科學(xué)家從遠(yuǎn)程位置感受到所發(fā)現(xiàn)物體的柔軟度。SORI 也是機(jī)器人輔助農(nóng)業(yè)中最大挑戰(zhàn)之一的潛在答案：在不壓碎的情況下收獲嫩水果和蔬菜。

“這并不是為了充當(dāng)機(jī)器人的柔軟度傳感器，而是為了以數(shù)字方式傳輸‘觸摸’的感覺，就像發(fā)送照片或音樂一樣，”Mete 總結(jié)道。