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亦真亦幻 AI让虚拟世界“触手可感”

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2019-06-2408:22  来源:科技日报
 

五感帮助人们认知世界,人工智能也致力于模仿这些本领。随着人工智能技术的进步,模拟视觉和听觉的技术发展迅速,但嗅觉、味觉、触觉方面则出现“瘸腿走路”的状况。近日,日本一项“虚拟触觉”技术让AI触觉方面迎来好消息。这项技术可解决虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术“看得见摸不着”的问题,有望在今年底明年初首次推出应用这种技术的游戏产品。

那么,AI能怎样提升触觉感知?如今研究人员在进行哪些尝试?未来将会应用到哪些方面,惠及人们的生活?

可提升人的感知能力

发明“虚拟触觉”技术的日本产业技术综合研究所研究人员中村则雄认为,“虚拟触觉”的本质在于“欺骗”大脑。研发人员研发出的手握式设备,主要通过设备发出特殊的震动波来刺激皮肤,传递信号“欺骗”大脑,从而让人获得各种触感体验。

“日本的这项技术比较前沿,还处于实验室状态。现在的主要方式是通过AI与传感器结合,感知压力、温度,还有震动,来实现‘摸到’,当然还不能完全把现实中的感受一一模仿出来。”远望智库人工智能事业部部长、图灵机器人首席战略官谭茗洲在接受科技日报记者采访时指出。

人类的双手堪称大自然的神奇杰作,灵巧、反应快、能稳定拿取东西。而“让机器实现简单的抓握并保持稳定等功能,可相当不容易。更不用说试图让机器人进行目标导向的任务了。”谭茗洲指出。

不久前,卡内基梅隆大学机器人专家马修·T·梅森发布的《迈向机器操控》报告称,“AI研发人员开发出打败人类棋王的下棋系统,但还是需要人类来移动棋子。显然,机器人可以移动棋子,但远不及人类。”

梅森进一步指出,机器手难以操控,主要体现在构造方面,要做到如双手般灵巧,设备必须施加足够的力量来抓握和移动具有重量的物体,有足够的运动自由度,能精确快速移动,且表面应采用柔软材质,易于更换,并且造价低廉。更重要的是设备要具有知觉,有感知才能了解环境场景,同时还需要提供高分辨率信息,包括接触位置和力量交换,而光靠计算机视觉并不足以了解环境场景,未来这种缺点将在一定程度上通过触觉传感得到解决,但目前设备和解决方案尚未完全到位。此外建模和控制也是关键,研究人员需要有操控过程的模型,以便能进行分析、模拟、计划和控制,许多潜在的情况很有挑战性,像单边接触、摩擦接触、冲击和变形等。

“虽然目前还不能让AI全方位模拟人手的感觉,但如果把局部研究透,也相当于增强人的感知能力。或许还能够补充人类所不具有的能力,比如对红外波的感触。另外,可通过AI研发高灵敏度的假手,用于义肢,做更精确的传感,助力残障人士的生活。”谭茗洲表示。

电子皮肤或成突破口

相比听觉和视觉,触觉技术一直是机器人技术难以突破的短板。由于触觉最直接的是通过皮肤感知,所以电子皮肤成为触觉研究者青睐的课题之一。

最近,约翰霍普金斯大学的研究人员开发出一种新的电子皮肤,可以通过感知刺激将信号传递给周围神经来重建触觉。研究人员把电子皮肤套在受试者指尖,测试结果表明,受试者能够对尖锐物体和圆滑物体表现出疼痛和非疼痛的反应,说明至少在部分功能上,这种电子皮肤称得上成功。只不过其对温度的感应还不太灵敏,尚须改进。

日前,英国曼彻斯特大学与北京他山科技有限公司共同成立人工智能触觉传感联合实验室,计划研发一款人工智能触觉芯片及通用解决方案。“基于脉冲神经元网络架构,研发电容触感技术,将之应用到人工智能机器人的皮肤上,尤其是手和脚上,采用优于目前通用的深度学习算法,提取更为抽象的特征数据,使得AI可以快速实时作出决策,从而使机器人获得与人类接近的触觉感知,打通服务类机器人商业应用的瓶颈。”他山科技公司总经理孙滕谌介绍说。

谭茗洲表示,加上人工智能算法的触觉感知技术,与机器人结合,通过大数据收集信息,让模拟现实的感受更真实。这种技术理论上非常有前景,有望开发出虚拟智能触摸系统,实现从手势到压触的全智能感应,让AI拥有触觉、滑觉、压觉、湿觉、力矩觉等功能;同时还能研发出多种触觉功能,让AI能感知物体的温度和重量等。

具有广阔应用前景

“先期的触感技术开发体现于触觉反馈手套,能够感受到‘手中’的虚拟物体,大多应用在电子游戏中,创造真实的触觉感受,而在人机交互中增加触觉技术,能够加强人们对机器的控制,将会有更为广阔的应用,大大促进远程制造、医疗、教育、购物等方面的发展。”谭茗洲指出。

据介绍,目前机器手主要应用在工业环境。一般来说,工业机器人手部设计常见的有两类,最广泛的是“抓手”,由两三个金属制成的夹具组成,用于夹取物体;另一种则是特殊手部,像吸盘、磁吸装置,实现特定物体的抓取,如在生产流水线上夹取零件,或在仓库、工厂里用吸盘吸住货箱来搬货。

在常见的微创手术中,由于切口实在是太小,外科医生都恨不得拿放大镜盯着看。2016年澳大利亚迪肯大学和哈佛大学专为腹腔镜手术联手打造一款微创手术机器人HeroSurg,让医生在远程手术中获得触觉。大量研究表明,给手术机器人添加触觉反馈能提高手术精准度,减少组织损伤和手术时长。触觉反馈还可以让医生在VR手术中进行零风险训练,同时体验到实际切割和缝合的感觉。

穿戴式触觉设备可以通过震动和用户交流。神经科学家大卫·伊格曼团队开发一种带有32个震动电机的背心——VEST。这种背心曾在科幻剧《西部世界》中出现过,能帮助角色发现正在接近的敌人。

目前,穿戴式触觉设备最有前景的应用之一是把声音转化为触觉,使听障人士更容易理解口语。同样,各类视觉信息也能转化为震动,供盲人理解视觉世界。

触觉式远程机器人则能实现安全的人机交互。这种技术结合高清视频、音频和交互式组件,在网络上创建一种独特的“面对面”体验。卡尔伯森实验室正在开发一种“数据驱动触觉”设备,能逼真模拟物体表面的粗糙度、硬度和光滑度。这种模拟并不依赖于复杂的算法和物理模型,只需收集物体划过各种表面材料时的数据。如当用笔划过屏幕时,屏幕上就能获得相应的反馈——不同反馈对应不同的纹理。未来其可应用于在线购物和虚拟博物馆。

(责编:乔雪峰、吕骞)

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