人工皮膚和人工肌肉：讓智能機(jī)器人更像人類

■ 文/李承輝

研究人工皮膚和人工肌肉只是機(jī)器人模擬人類的初步工作，要使機(jī)器人能夠感知各種外界環(huán)境，就必須在機(jī)器人身體里植入各種各樣的傳感器。

自2016年起，人工智能再次成為全球焦點(diǎn)，原因在于谷歌旗下DeepMind公司開發(fā)了一個(gè)名為AlphaGo的人工智能（AI）系統(tǒng)，該系統(tǒng)先后與世界圍棋冠軍李世石和柯潔上演人機(jī)大戰(zhàn)，并最終大勝人類冠軍棋手。至此，全球掀起了人工智能熱潮，眾多企業(yè)紛紛向人工智能轉(zhuǎn)型。與此同時(shí)，與人工智能息息相關(guān)的機(jī)器人也逐漸從科幻小說進(jìn)入我們的視野，各種服務(wù)型機(jī)器人開始走進(jìn)眾多普通家庭，例如解放人類雙手的掃地機(jī)器人、陪伴兒童成長(zhǎng)的智能機(jī)器人、用于自主巡邏和人像識(shí)別的安保機(jī)器人，等等。甚至于，有些瘋狂的公司和個(gè)人在打造機(jī)器人伴侶，以女友、伴侶形式進(jìn)入人類世界。

與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人相比，各種服務(wù)型機(jī)器人在外形和智能化程度上更接近人類，而一些高仿真機(jī)器人更是面容艷美、身材姣好，顏值堪比明星。然而，目前的機(jī)器人產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能模擬人類的特征。例如，人體的皮膚是由水、蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽和脂肪酸組成的，質(zhì)量很輕卻又具有良好的力學(xué)強(qiáng)度，能感知外界溫度、濕度、壓力等環(huán)境的變化，在受到損傷之后還能自動(dòng)愈合。大部分仿真機(jī)器人的皮膚是用硅膠制成的，硅膠的觸感雖然跟人的皮膚相似，但缺乏真正皮膚的傳感和自愈合功能。人的肌肉受人體神經(jīng)的控制，在神經(jīng)的支配下,會(huì)產(chǎn)生不同的收縮,進(jìn)而完成行走、彎腰、抓握等動(dòng)作，而目前即使是最先進(jìn)的人形機(jī)器人或義肢，受限于笨重的發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)，其靈活程度、力量與整體工作能力都與人類相差甚遠(yuǎn)。

指尖皮膚與電子皮膚

未來，通過新材料技術(shù)的發(fā)展，我們?nèi)绻軌蛟谌斯てつw和人工肌肉方面取得突破，并結(jié)合人們?cè)谏疃葘W(xué)習(xí)（deep learning）方面的研究成果，將有可能打造出在體貌特征和學(xué)習(xí)能力等各方面均能與人類相媲美的智能機(jī)器人。

人工皮膚

如前所述，人體的皮膚是由水、蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽和脂肪酸組成的，其中水分約占70%，蛋白質(zhì)約占25%。有人曾這樣生動(dòng)地形容：皮膚就像浸在水里的膠狀物。皮膚的質(zhì)量占人體總質(zhì)量的5%～15%，是人體中除了骨骼和血液外質(zhì)量最大的組織。同時(shí)，皮膚也是人體最大的器官，和外界接觸最為廣泛。因此，皮膚是保護(hù)身體的第一道防線，是身體的外殼。它通過感知外界溫度、濕度、壓力等環(huán)境的變化，在我們身處惡劣環(huán)境時(shí)提前預(yù)警，使我們及時(shí)脫離險(xiǎn)境。

美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于進(jìn)行“人造皮膚”的開發(fā)。此“人造皮膚”其實(shí)是一種獨(dú)特的電子元件，它利用敏感的電子材料制成，可以被拉伸，能夠感受微小的壓力帶來的電流變化。實(shí)際測(cè)試表明，這種材料能清晰地感知一只蒼蠅或蝴蝶停留在其表面所產(chǎn)生的“觸覺”，并且做出感應(yīng)的速度極快。這種人造皮膚是一種高分子材料，鮑哲南將其稱為“柔性電極材料”。這種材料具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，如果運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上，就可以制成檢測(cè)器，為癌癥患者準(zhǔn)確區(qū)分硬的癌細(xì)胞和軟的健康細(xì)胞，從而快速、準(zhǔn)確地切除癌細(xì)胞；如果用在汽車方向盤上，當(dāng)駕駛?cè)艘蚶Х?、走神等原因松開方向盤時(shí)，感應(yīng)器就會(huì)及時(shí)提醒，避免發(fā)生交通事故；如果運(yùn)用到機(jī)器人身上，機(jī)器人就可以輕輕拿起一只雞蛋而不捏碎，使機(jī)器人各方面的性能得到極大的提高。

人的皮膚不僅可以感知壓力，也可以感知溫度和濕度。為了得到對(duì)溫度和濕度高度敏感的人工皮膚，以色列理工學(xué)院的霍薩姆·赫科（Hossam Haick）帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)將直徑為5～8納米的金納米粒子置于由柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成的基座頂部，得到了一種導(dǎo)電能力隨溫度、濕度變化而變化的傳感器。這種傳感器能夠在低電壓狀態(tài)下運(yùn)行，從而滿足便攜需求。這種檢測(cè)溫度、濕度的傳感器未來可以應(yīng)用到機(jī)器人的電子皮膚中。外科醫(yī)生或許能夠利用它來幫助患者恢復(fù)知覺。

人的皮膚除了具有感知外界環(huán)境的能力之外，還有一種本領(lǐng)就是在受到損傷之后能自動(dòng)愈合。未來，智能機(jī)器人的皮膚也應(yīng)該具有自修復(fù)功能。為了使人工皮膚具有自修復(fù)功能，人們將催化劑和修復(fù)液分別裝進(jìn)微脈管或微膠囊中，然后將微脈管或微膠囊分散在聚合物里。當(dāng)材料遭受外力產(chǎn)生裂紋時(shí)，微脈管或微膠囊發(fā)生破裂，使催化劑和修復(fù)液迅速釋放。修復(fù)液在催化劑的作用下發(fā)生交聯(lián)聚合反應(yīng)，生成新的網(wǎng)絡(luò)大分子，阻止裂紋的擴(kuò)展，從而完成對(duì)裂紋的修復(fù)?；蛘邔⒖赡婊瘜W(xué)鍵引入高分子骨架中，這些化學(xué)鍵在一些外界因素（如pH、溫度等）的影響下,鍵的斷裂和形成可以達(dá)到可逆的動(dòng)態(tài)平衡。因此，當(dāng)這些鍵斷裂以后，通過加熱、光照、調(diào)控pH值等手段，甚至無須外界刺激就可重新形成，從而達(dá)到修復(fù)的目的。根據(jù)這個(gè)原理，鮑哲南團(tuán)隊(duì)將具有自修復(fù)能力的塑料和導(dǎo)電金屬復(fù)合在一起，得到了導(dǎo)電的自修復(fù)柔性電極。該材料斷裂后具有良好的修復(fù)能力。同一樣品可在同一個(gè)地方反復(fù)切削，經(jīng)過50次切削和修復(fù)，樣品的柔韌性和伸展度仍完好如初。

人工肌肉

肌肉是生物學(xué)上可收縮的組織，具有信息傳遞、能量傳遞、廢物排除、能量供給以及傳動(dòng)等功能，人類很早就致力于仿生物肌肉的“人工肌肉”研發(fā)。20世紀(jì)50年代，美國(guó)醫(yī)生約瑟夫·麥吉本（Joseph McKibben）首次研制了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，并發(fā)展成為商業(yè)上的McKibben驅(qū)動(dòng)器。然而，作為人工肌肉材料，McKibben驅(qū)動(dòng)器體積大，而且受到輔助系統(tǒng)的限制。形狀記憶合金也被嘗試用作人工肌肉材料，與同時(shí)代的驅(qū)動(dòng)材料相比，它們具有高能量密度和低比重等特點(diǎn)，但同樣存在許多不利因素，如形變不可預(yù)知性、響應(yīng)速度慢以及使用尺寸受限等，這些都制約了其在人工肌肉材料方面的發(fā)展。電活性陶瓷是人工肌肉的另一個(gè)備選材料，其響應(yīng)速度較形狀記憶合金快，但脆性大，只能獲得小于l%的應(yīng)變。受到材料的限制，人工肌肉的研究一直處于緩慢發(fā)展階段，直到一類新型材料——電活性聚合物(Electroactive polymers，EAP)的出現(xiàn)。

EAP材料是指能夠在電流、電壓或電場(chǎng)作用下產(chǎn)生物理形變的聚合物材料，其顯著特征是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。EAP可以產(chǎn)生的應(yīng)變比電活性陶瓷大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且較形狀記憶合金響應(yīng)速度快、密度小、回彈力大。此外，它還具有類似人體肌肉的高抗撕裂強(qiáng)度及固有的振動(dòng)阻尼性能等。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的裴啟兵教授一直致力于研究基于電活性聚合物的人工肌肉。他們的材料厚度只有幾十微米，加上導(dǎo)電涂層后可以疊加、卷繞成一定的形狀，做成手指或者其他的形狀。通電以后，“人工肌肉”便可產(chǎn)生形變。這種人工肌肉將為肌肉萎縮患者帶來福音。只要將手機(jī)大小的“薄膜”貼在萎縮部位，通過電信號(hào)刺激，就可以帶動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)，幫助患者正常行走。目前，這種“人工肌肉”器件已經(jīng)到了實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，預(yù)計(jì)不久的將來能夠投入市場(chǎng)。

與皮膚一樣，肌肉也有自修復(fù)功能。因此，科學(xué)家也在想辦法制備具有自修復(fù)功能的人工肌肉。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)河濱分校的王朝教授利用能夠自修復(fù)的彈性離子導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。他們的材料能夠在受到損傷后5分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，還可以拉伸到正常長(zhǎng)度的2倍左右。與其他材料不同，它不需要任何外部刺激來觸發(fā)這一過程，在室溫下可以自發(fā)進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，他們制備了基于這種自修復(fù)彈性離子導(dǎo)體的人工肌肉。所得到的人工肌肉在接收到信號(hào)時(shí)也會(huì)做出反應(yīng)，就像人類的肌肉（如二頭?。┰谑盏酱竽X發(fā)送的信號(hào)時(shí)會(huì)移動(dòng)一樣。如果將人工肌肉的一部分切割成兩個(gè)單獨(dú)的塊體，在不依賴外部刺激的情況下便可愈合，并且可恢復(fù)到與切割之前相同的性能水平。南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也研發(fā)出一種彈性超強(qiáng)、可自修復(fù)且能通過電壓控制動(dòng)作的新材料，向研制智能化的人工肌肉邁出了重要一步。

前景與挑戰(zhàn)

人類制造機(jī)器人的終極目標(biāo)是要讓機(jī)器人像人類一樣高度智能化。然而，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)絕非易事。人體通過視覺、觸覺、味覺、嗅覺、聽覺等感官來獲取外界信息和解析周邊環(huán)境，通過心、肺、腎、肝、脾等器官進(jìn)行各種生理活動(dòng)，所有這些結(jié)構(gòu)和功能都是極其精巧微妙的。研究人工皮膚和人工肌肉只是模擬人類的初步工作，盡管這些工作極具挑戰(zhàn)性。

人體的皮膚相當(dāng)于人身上的傳感器。本質(zhì)上講，人類具有的所有感官都能夠通過在機(jī)器人身上配置相應(yīng)的傳感器來實(shí)現(xiàn)。因此，要使機(jī)器人能夠感知各種外界環(huán)境，就必須在機(jī)器人身體里植入各種各樣的傳感器。然而，機(jī)器人的內(nèi)部空間極為有限，機(jī)器人有限的內(nèi)部空間和人類對(duì)機(jī)器人無限感官的期待之間的矛盾，就像人民群眾日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需求同落后的社會(huì)生產(chǎn)之間的矛盾一樣亟待解決。這就要求未來的傳感器必須要做得更薄、更小，或者要求一個(gè)傳感器具有多種功能。

目前的人工肌肉還存在諸多挑戰(zhàn)性的難題?，F(xiàn)有的材料還存在驅(qū)動(dòng)電壓高、形變小、響應(yīng)速度慢、回彈力小等諸多問題。即便這些問題解決了，也需要通過器件的巧妙設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其形變的精確控制。未來，我們還需要進(jìn)一步研究如何將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后再把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為各種動(dòng)作。這樣，才能實(shí)現(xiàn)通過人工智能來控制機(jī)器人軀體的動(dòng)作。

也許，經(jīng)過多年的研究之后，我們能夠制造出結(jié)構(gòu)和功能非常完善的人工皮膚和人工肌肉，那時(shí)智能機(jī)器人一定會(huì)更像人類，也將成人類最好的“合作伙伴”！