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亦真亦幻 AI讓虛擬世界“觸手可感”
2019-06-17 08:06:26 來源: 科技日報
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  視覺中國

  五感幫助人們認知世界,人工智能也致力于模倣這些本領。隨著人工智能技術的進步,模擬視覺和聽覺的技術發展迅速,但嗅覺、味覺、觸覺方面則出現“瘸腿走路”的狀況。近日,日本一項“虛擬觸覺”技術讓AI觸覺方面迎來好消息。這項技術可解決虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術“看得見摸不著”的問題,有望在今年底明年初首次推出應用這種技術的遊戲産品。

  那麼,AI能怎樣提升觸覺感知?如今研究人員在進行哪些嘗試?未來將會應用到哪些方面,惠及人們的生活?

  可提升人的感知能力

  發明“虛擬觸覺”技術的日本産業技術綜合研究所研究人員中村則雄認為,“虛擬觸覺”的本質在于“欺騙”大腦。研發人員研發出的手握式設備,主要通過設備發出特殊的震動波來刺激皮膚,傳遞信號“欺騙”大腦,從而讓人獲得各種觸感體驗。

  “日本的這項技術比較前沿,還處于實驗室狀態。現在的主要方式是通過AI與傳感器結合,感知壓力、溫度,還有震動,來實現‘摸到’,當然還不能完全把現實中的感受一一模倣出來。”遠望智庫人工智能事業部部長、圖靈機器人首席戰略官譚茗洲在接受科技日報記者採訪時指出。

  人類的雙手堪稱大自然的神奇傑作,靈巧、反應快、能穩定拿取東西。而“讓機器實現簡單的抓握並保持穩定等功能,可相當不容易。更不用説試圖讓機器人進行目標導向的任務了。”譚茗洲指出。

  不久前,卡內基梅隆大學機器人專家馬修·T·梅森發布的《邁向機器操控》報告稱,“AI研發人員開發出打敗人類棋王的下棋係統,但還是需要人類來移動棋子。顯然,機器人可以移動棋子,但遠不及人類。”

  梅森進一步指出,機器手難以操控,主要體現在構造方面,要做到如雙手般靈巧,設備必須施加足夠的力量來抓握和移動具有重量的物體,有足夠的運動自由度,能精確快速移動,且表面應採用柔軟材質,易于更換,並且造價低廉。更重要的是設備要具有知覺,有感知才能了解環境場景,同時還需要提供高分辨率信息,包括接觸位置和力量交換,而光靠計算機視覺並不足以了解環境場景,未來這種缺點將在一定程度上通過觸覺傳感得到解決,但目前設備和解決方案尚未完全到位。此外建模和控制也是關鍵,研究人員需要有操控過程的模型,以便能進行分析、模擬、計劃和控制,許多潛在的情況很有挑戰性,像單邊接觸、摩擦接觸、衝擊和變形等。

  “雖然目前還不能讓AI全方位模擬人手的感覺,但如果把局部研究透,也相當于增強人的感知能力。或許還能夠補充人類所不具有的能力,比如對紅外波的感觸。另外,可通過AI研發高靈敏度的假手,用于義肢,做更精確的傳感,助力殘障人士的生活。”譚茗洲表示。

  電子皮膚或成突破口

  相比聽覺和視覺,觸覺技術一直是機器人技術難以突破的短板。由于觸覺最直接的是通過皮膚感知,所以電子皮膚成為觸覺研究者青睞的課題之一。

  最近,約翰霍普金斯大學的研究人員開發出一種新的電子皮膚,可以通過感知刺激將信號傳遞給周圍神經來重建觸覺。研究人員把電子皮膚套在受試者指尖,測試結果表明,受試者能夠對尖銳物體和圓滑物體表現出疼痛和非疼痛的反應,説明至少在部分功能上,這種電子皮膚稱得上成功。只不過其對溫度的感應還不太靈敏,尚須改進。

  日前,英國曼徹斯特大學與北京他山科技有限公司共同成立人工智能觸覺傳感聯合實驗室,計劃研發一款人工智能觸覺芯片及通用解決方案。“基于脈衝神經元網絡架構,研發電容觸感技術,將之應用到人工智能機器人的皮膚上,尤其是手和腳上,採用優于目前通用的深度學習算法,提取更為抽象的特徵數據,使得AI可以快速實時作出決策,從而使機器人獲得與人類接近的觸覺感知,打通服務類機器人商業應用的瓶頸。”他山科技公司總經理孫滕諶介紹説。

  譚茗洲表示,加上人工智能算法的觸覺感知技術,與機器人結合,通過大數據收集信息,讓模擬現實的感受更真實。這種技術理論上非常有前景,有望開發出虛擬智能觸摸係統,實現從手勢到壓觸的全智能感應,讓AI擁有觸覺、滑覺、壓覺、濕覺、力矩覺等功能;同時還能研發出多種觸覺功能,讓AI能感知物體的溫度和重量等。

  具有廣闊應用前景

  “先期的觸感技術開發體現于觸覺反饋手套,能夠感受到‘手中’的虛擬物體,大多應用在電子遊戲中,創造真實的觸覺感受,而在人機交互中增加觸覺技術,能夠加強人們對機器的控制,將會有更為廣闊的應用,大大促進遠程制造、醫療、教育、購物等方面的發展。”譚茗洲指出。

  據介紹,目前機器手主要應用在工業環境。一般來説,工業機器人手部設計常見的有兩類,最廣泛的是“抓手”,由兩三個金屬制成的夾具組成,用于夾取物體;另一種則是特殊手部,像吸盤、磁吸裝置,實現特定物體的抓取,如在生産流水線上夾取零件,或在倉庫、工廠裏用吸盤吸住貨箱來搬貨。

  在常見的微創手術中,由于切口實在是太小,外科醫生都恨不得拿放大鏡盯著看。2016年澳大利亞迪肯大學和哈佛大學專為腹腔鏡手術聯手打造一款微創手術機器人HeroSurg,讓醫生在遠程手術中獲得觸覺。大量研究表明,給手術機器人添加觸覺反饋能提高手術精準度,減少組織損傷和手術時長。觸覺反饋還可以讓醫生在VR手術中進行零風險訓練,同時體驗到實際切割和縫合的感覺。

  穿戴式觸覺設備可以通過震動和用戶交流。神經科學家大衛·伊格曼團隊開發一種帶有32個震動電機的背心——VEST。這種背心曾在科幻劇《西部世界》中出現過,能幫助角色發現正在接近的敵人。

  目前,穿戴式觸覺設備最有前景的應用之一是把聲音轉化為觸覺,使聽障人士更容易理解口語。同樣,各類視覺信息也能轉化為震動,供盲人理解視覺世界。

  觸覺式遠程機器人則能實現安全的人機交互。這種技術結合高清視頻、音頻和交互式組件,在網絡上創建一種獨特的“面對面”體驗。卡爾伯森實驗室正在開發一種“數據驅動觸覺”設備,能逼真模擬物體表面的粗糙度、硬度和光滑度。這種模擬並不依賴于復雜的算法和物理模型,只需收集物體劃過各種表面材料時的數據。如當用筆劃過屏幕時,屏幕上就能獲得相應的反饋——不同反饋對應不同的紋理。未來其可應用于在線購物和虛擬博物館。

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【糾錯】 責任編輯: 淩紀偉
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