導讀
據新加坡國立大學官網近日報道，該校研究人員開發出一種人工神經系統，也稱爲“異步編碼電子皮膚（ACES）”。通過這個系統，機器人與義肢裝置也許很快將擁有與人類皮膚同等甚至更好的觸覺。
背景
皮膚，是人體中最大的器官，可直接與體外環境進行接觸與交互。柔軟的皮膚組織下面分布著龐大的傳感器網絡，可實時獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。
電子皮膚，模仿人類皮膚的功能和機械特性，由輕薄、透明、柔性、可拉伸的材料制成，可非常方便地貼合于人體皮膚表面，感知壓力、溫度等外界環境刺激，實現人工觸覺。
爲機器人與義肢帶來觸覺的電子皮膚（圖片來源：斯坦福大學）
電子皮膚使機器手臂能感知冷熱（圖片來源: 休斯頓大學）
創新
近日，新加坡國立大學研究團隊開發出一種人工神經系統，也稱爲“異步編碼電子皮膚（ACES）”。通過這個系統，機器人與義肢裝置也許很快將擁有與人類皮膚同等甚至更好的觸覺。
（圖片來源：新加坡國立大學）
這種新型電子皮膚系統實現了超高的靈敏度和抗破壞性，能結合任何種類的傳感器皮膚層成爲一個電子皮膚系統高效地運作。
新加坡國立大學工程學院材料科學與工程系助理教授 Benjamin Tee 及其團隊實現的這項創新，于2019年7月18日在著名的科學雜志《科學·機器人學（Science Robotics）》上首次發表。
（圖片來源：新加坡國立大學）
技術
十多年來一直在研究電子皮膚技術，希望賦予機器人與義肢裝置更好觸覺的 Tee 助理教授解釋道：“人類采用觸覺完成幾乎每一項日常任務，例如拿起一杯咖啡或者握手。沒有觸覺，我們甚至會在行走時失去平衡。類似地，機器人也需要觸覺來與人類更好地交流互動，但是現今的機器人仍然無法很好地感知物體。”
（圖片來源：新加坡國立大學）
新加坡國立大學的團隊從人類感覺神經系統中汲取靈感，花費一年半的時間開發了一個有望表現得更好的傳感器系統。當 ACES 電子神經系統像人類傳感器神經系統一樣檢測信號時，它由通過單個導體連接的傳感器網絡組成，而不像人類皮膚中的神經束。它也不像現有的電子皮膚那樣擁有互連布線系統，這種系統會使之對損傷敏感，且難以擴展。
（圖片來源：新加坡國立大學）
爲了詳細描述靈感，在新加坡國立大學電氣與計算機工程系、新加坡國立大學健康創新與技術研究所、N.1健康研究所、混合集成柔性電子系統項目任職的 Tee 助理教授表示：“人類感覺神經系統非常高效，它一直在起作用，到達了一種我們認爲理所當然的程度。它也非常抗損傷。例如，當我們被割傷時，我們的觸覺不會受到影響。如果我們可以模仿生物系統的工作方式並做得更好，那麽我們就可以在主要采用電子皮膚的機器人領域取得巨大進步。”
ACES 檢測觸覺的速度比人類觸覺感知系統要快一千倍。例如，它能在60納秒之內區分出不同傳感器甚至是大量傳感器的物理接觸，這是電子皮膚系統所實現的最快速度。ACES 使能的皮膚也可以在10毫秒之內，精准地分辨物體的形狀、質地和硬度，比眨眼的速度還要快10倍。ACES 系統的高精確度與捕捉速度確保了這一點。
ACES 平台也可以通過設計達到高度抗損傷。對于電子皮膚來說，這是一項非常重要的特性，因爲它們需要與環境進行頻繁的物理接觸。不同于在現有電子皮膚中讓傳感器互相連接的當前系統，ACES 中所有傳感器都可以連接到一個共同的導體，而每個傳感器獨立工作。這樣一來，只要傳感器和導體之間存在一個連接，ACES 使能的電子皮膚就可以繼續工作，從而不容易受到損傷的影響。
價值
即使在傳感器數量增多的情況下，ACES 也可以實現簡單的布線和非凡的靈敏度。這些是促進智能電子皮膚擴展爲人工智能（AI），應用于機器人、義肢裝置和其他人機接口的關鍵特性。
Tee 助理教授解釋道：“因爲大塊的高性能電子皮膚需要覆蓋機器人和義肢裝置相對較大的表面積，可擴展性成爲了一個關鍵考慮因素。”
他補充道：“ACES 可以輕易地結合任何種類的傳感器皮膚層，例如那些可以感知溫度與濕度的，從而創造出 ACES 使能的高性能電子皮膚。這些電子皮膚具有卓越的觸覺，用途廣泛。”
例如，將 ACES 與最近也是由 Tee 助理教授開發的透明、自修複、防水的傳感器皮膚層相結合，創造出的電子皮膚可以像人類皮膚一樣實現自修複。這種電子皮膚可用于開發更切實際的義肢，幫助殘疾人恢複觸覺。
像凝膠一般、水生、可拉伸、自修複的電子皮膚設計（圖片來源：參考資料【1】）
其他的潛在應用包括開發更加智能的機器人，它們可以展開災後恢複任務，或者接手單調的工作，例如倉庫中物品包裝。因此，新加坡國立大學正在計劃在他們研究的下一個階段，將 ACES 平台進一步應用到先進的機器人和義肢裝置上。
關鍵字
電子皮膚、機器人、義肢、人工智能
參考資料
【1】Yue Cao, Yu Jun Tan, Si Li, Wang Wei Lee, Hongchen Guo, Yongqing Cai, Chao Wang, Benjamin C.-K. Tee. Self-healing electronic skins for aquatic environments. Nature Electronics, 2019; 2 (2): 75 DOI: 10.1038/s41928-019-0206-5
【2】Wang Wei Lee, Yu Jun Tan, Haicheng Yao, Si Li, Hian Hian See, Matthew Hon, Kian Ann Ng, Betty Xiong, John S. Ho, Benjamin C. K. Tee. A neuro-inspired artificial peripheral nervous system for scalable electronic skins. Science Robotics, 2019; 4 (32): eaax2198 DOI: 10.1126/scirobotics.aax2198
【3】http://news.nus.edu.sg/research/exceptional-touch-robots-prosthetics