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哎哟好痛!痛觉机器人技术让人类与机器人更安全

导读: 这两个研究人员开发了一套“人工机器人神经系统”,能够教机器人去感觉疼痛,同时为了避免对他们的电机、齿轮或是电子元件产生损坏,这些机器人需要对疼痛快速做出反应。

  目前,机器人依然无法做到一些事情,其中之一就是它们无法感觉疼痛。正是因为这个原因,我们可以把机器人放到一些危险环境下工作,或者让它们去做一些人类不愿意去做,或是对人类生命有威胁的工作。不过,两名来自德国汉诺威大学的德国研究人员相信,在某些情况下,感觉疼痛并对疼痛有所反应,对机器人而言也许是个不错的能力。

  这两个研究人员开发了一套“人工机器人神经系统”,能够教机器人去感觉疼痛,同时为了避免对他们的电机、齿轮或是电子元件产生损坏,这些机器人需要对疼痛快速做出反应。上周,在瑞典首都斯德哥尔摩举办的IEEE机器人与自动化国际会议(IRA)上,他们展示了这个项目。

  为什么让机器人感觉疼痛是个好想法呢?在研究员Johannes Kuehn来看,这个问题的答案其实和“为什么让人类感觉疼痛是个好想法”的答案是一样的。“疼痛,是一个保护我们的系统,”他说道,“当我们避开疼痛源,就能帮助我们不受伤害。”那些无法感受到疼痛的人,往往更容易受伤,因为他们的身体对受到的伤害无法及时做出本能反应。

  Kuehn是和Sami Haddadin教授一起开发该项目的。Sami Haddadin教授是世界上最著名的物理人机交互和安全专家之一。Kuehn表示,通过保护机器人免受损害,他们的系统也可以保护人类。我们知道,机器人的数量在不断增长,在很多情况下,它们会和人类工人近距离工作,一些无法监测到的机器人设备损坏,可能会导致生产事故,并给人类工人安全带来威胁。Kuehn和Haddadin推断,如果我们人类的生物机制能够如此有效地感受、回应疼痛,为什么不设计一个能够模拟疼痛生物机制的仿生机器人控制器呢?这种控制器可以反射性地反应疼痛,继而在有潜在危险的交互中保护机器人。

  实际上,这种机器人反射控制器的想法并不是新概念。大约在五年前,Torsten Kroeger和他在斯坦福大学及罗马大学的同事La Sapienza就一起开发了类似的控制器,帮助机器人手臂避免和人类发生碰撞。

  控制器能让机器人避免和人类发生碰撞,不过这些设备的设计初衷都是防止机器人碰到人类,但是却完全没有考虑机器人自身的安全(除了一些附产品)。事实上,设计一个能够感觉疼痛、并对疼痛产生反应的人工智能机器人神经系统是完全不同的事情,它需要基于人类如何应对疼痛触感,正如Kuehn和Haddadin在他们ICRA论文中所写道的:

  机器人需要有能力检测、区分一些无法预知的物理状态和扰动,对于那些可能对自己产生潜在伤害的情况,机器人需要进行评级,并采取适当的对策,也就是反射。为了实现这个目标需求,人类原型成为了我们的灵感,这意味着,人类对疼痛的反射动作将会用于设计机器人疼痛感觉模型和反应控制。基于对人类疼痛研究的理解,我们专注于将机器人的疼痛感觉“范化”,作为对触感的一种解释。

  在展示的一个在Kuka手臂上的控制器原型是如何运行的时候,这个控制器搭载了一个“生物触觉指尖传感器”,它可以感受压力和温度。笔者似乎能感受到一个机器人发出“噢,好疼!”的叫声,而且随着疼痛感越来越强烈,它的叫声每次也会越来越高:

  这个机器人触觉系统使用了一个“受到人类皮肤结构启发的神经机器人组织模型”,该模型可以决定在某一量级的受力时,机器人应该感受多少疼痛。就像人类神经元,当受力超过一定的临界值,这个模型会将重复传递疼痛信息峰值,此时疼痛控制器会根据疼痛信息分类做出反应,疼痛分类包括轻度、中度、以及重度疼痛。

  在“轻度”疼痛级别,这种接触发生时可能会伤到机器人,或者,当机器人在执行任务时要预防这种疼痛出现。机器人“感到”不舒服,应该平稳地缩回操作,直到接触结束。强烈碰撞属于“中度”疼痛级别。机器人“感觉”中度疼痛,应该快速缩回操作,远离疼痛源,直到接触结束。之后,机器人可以选择退回,终止操作。“重度”疼痛级别包含了所有可能对机器人产生损害的接触,此时的机器人可能需要“求助”才能避免疼痛。为了防止这种损害造成更大伤害,机器人要切换到有额外阻尼的重力补偿,以此耗散疼痛,通过其严格的被动行为,改善机器人安全性和机器人的使用环境。

  在生物感知和控制方面,Kuehn和Haddadin的论文首次探讨了基于疼痛的机器人反射控制器,尽管这种情况听上去似乎充满了灾难感,但该技术却能让绝大多数机器人从中受益,不仅能够提升机器人自主性,而且还能确保机器人和人类工人协同工作时的安全性。当然,确保机器人不会伤害人类才是重中之重,但如果我们想要让机器人安全地在我们人类身边出现,首先要让机器人能确保自己不受伤害。

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