如今，一些外科医生在为患者手术时，却无法感知到他们的手术器械。同样，世界各地核设施的工人使用远程机械臂操作放射性材料，却无法感知到他们触摸的物体。这是一种普遍存在的“麻木”现象，几乎影响了所有通过机器人辅助执行手动工作的职业——从阿富汗的拆弹专家到国际空间站上的宇航员。
问题不在于生理，而在于机械。随着机器人日益普及，尤其是在高风险和高风险情境下，部署远程操作替代品的优势正面临功能瓶颈。绝大多数情况下，机器人无法感知它们所触摸的物体，这迫使操作员重新调整自己的本能，并用持续的视觉确认来取代简单的触觉线索——例如，指尖间电线的轮廓。其结果是研究人员称之为“认知负荷增加”的情况，即操作员必须主动思考无数本应毫不费力的细微任务。当这些任务争分夺秒时，比如病人失血过多，或者路边炸弹即将引爆，这种额外的责任带来的负担几乎令人难以承受。
现在，研究人员希望通过制造能够感知物体、具有触觉的机器来减轻这种认知负担，并可能使整整一代机器人更加高效。这被称为触觉技术，它代表了机器人领域最具挑战性的研究领域之一。但随着新的传感器和反馈系统终于走出实验室，它也恰好是最有希望的领域之一。
感官反馈：区分良好振动和烦人干扰的细微界线
其核心是，触觉技术是关于机器通过触摸进行交流，无论是操纵杆在操作的机械臂撞到障碍物时停止转动，还是触摸屏在每次敲击虚拟键盘时发出蜂鸣声。振动是触觉反馈最常见的形式，而手机静音来电时的震动就是其最常见的应用。
将这一概念扩展到机器人似乎很直接。当外科手术机器人，如直觉外科公司的达芬奇系统，用其机械臂接触患者组织时，为什么不通过轻微的蜂鸣声向操作员发出信号呢？“你不想在外科医生的手上产生振动，”马萨诸塞州剑桥研究与开发公司（Cambridge Research & Development）的首席执行官 Ken Steinberg 表示，该公司已测试了自己的触觉设备用于手术机器人。“因为他们已经用手捏住并扭转机器的控制杆来操控患者体内的机械臂，外科医生告诉 Steinberg，近乎持续的振动充其量只能是令人恼火；最坏的情况下，会造成令人困惑、麻痹手指的干扰。“振动根本无法与人体协同工作，”Steinberg 说。“神经会失去对哪个振动更强、哪个更弱的追踪。长此以往，只会让你烦躁不安。”
剑桥研发公司的解决方案是：少点震动，多点“推挤”。该公司最近展示了 Neo，这是一种线性执行器的原型——一种安装在头带上的机械装置，它上下移动，而不是像大多数电机那样进行圆周运动。当达芬奇系统的器械或机械臂接触到任何物体时，Neo 的小型触觉器（一个将压力和振动传递给用户皮肤的微型换能器）就会触碰到外科医生的头部。线性执行器的使用允许对触觉反馈进行细微调整——从反映机械臂轻拂组织的微弱触感，到缝线拉紧时清晰可辨的敲击声。
为了测试反馈的有效性，一位配备了 Neo 的外科医生进行了一次模拟手术，要求他抓住一根静脉——这是外科医生通常会避免使用微创手术机器人进行的，因为穿刺或损伤的风险很高。“我们决定展示我们可以多么精细地抓住模拟静脉，以证明最小的偏转或挤压水平，”Steinberg 说。“我们给外科医生蒙上眼睛，让他使用机器人抓住静脉，这次是吸管，并告诉他在感觉到吸管的那一刻停下来。”当外科医生感觉到吸管时，机器人几乎立即停止了，这证实了不会有组织损伤或穿刺。考虑到达芬奇的标准反馈是通过 3D 高分辨率显示器进行纯视觉反馈，这是远程触觉能力的一个令人印象深刻的展示。“这项能力安装成本只需几百美元，而不是几十万美元。我们认为我们拥有未来十年的触觉解决方案，”Steinberg 说。
尽管剑桥研发公司希望将其技术授权给像直觉外科这样的公司，但一种更传统的触觉反馈形式已经进入了手术室。RIO 手术机器人，专门用于髋关节和膝关节手术，由骨科医生指导，但 RIO 在手术开始前就已经制定了计划——它利用 CT 扫描提前获得的患者知识。因此，如果人类外科医生偏离了目标，或者施加了过大的压力，RIO 就会应用佛罗里达州 Mako Surgical 公司称之为“触觉反馈”的东西。这是“力反馈”的另一种说法，即控制会主动地向用户施加反作用力。
如果机器人被设计成能够自主响应触觉反馈，触觉技术可能会更有效
然而，力反馈并不是万能的解决方案。虽然 RIO 手术机器人可以将其用户控制在明确定义的区域内，但像 2010 年响应“深水地平线”漏油事件或 2011 年福岛第一核电站灾难的机器人，正在穿越不可预测环境的混乱之中。研究人员必须调整策略，为这些系统的操作员提供更好的解决方案，这些操作员的任务是通过被石油弄脏的相机，或因高辐射水平的电离效应而闪烁的相机，来拧动扳手或转动门把手。
像洛杉矶的 SynTouch 公司，并没有纠结于如何将触觉以有意义、不分心的方式传递给用户，而是专注于机器人本身。如果机器人知道它正在触摸什么，为什么不编程让它做出相应的反应呢？SynTouch 的 BioTac 传感器旨在模仿人类指尖，能够检测力、振动和温度。通过结合这三种输入，配备 BioTac 的机器人手就能区分玻璃和金属（基于温度），以及按钮和周围面板（基于纹理）。虽然这些输入对人类用户来说很有用，但机器人可能更能利用这些信息。
据 SynTouch 联合创始人兼业务开发主管 Matt Borzage 称，这是一个速度问题。“对人类来说，当我们握住东西时，我们的手每秒需要做出数千次调整。如果开始滑动，将信息发送到大脑再传回手臂需要太长时间。这就是为什么脊髓与手臂相连，”Borzage 说。为了让机器人手臂达到这种类似人类的精度水平，并避免持续的笨拙，它必须独立行动。等待操作员接收触觉信号、处理信息并发送回命令，注定会导致停滞、笨拙的失败。“这就是为什么我们需要在机械臂中实现一些低级别的反射，模仿脊髓级别的反射，”Borzage 说。
这种基于反射的方法正被 Shadow Hand 的制造商所采纳，Shadow Hand 是世界上最灵巧的机器人手之一。“对于远程操作，目前复杂传感并没有多大好处，因为你无法将其传达给操作员，”位于伦敦的 Shadow Robot Company 的董事总经理 Rich Walker 说。“你希望数据由机器人解释，而不是反馈给人类。”这家总部位于伦敦的公司与 SynTouch 密切合作，SynTouch 创建了一个 Shadow Hand BioTac 套件，帮助研究客户将指尖传感器集成到该系统中。但是，为了让增强触觉的技术能够广泛地应用于现实世界，例如在核电站的物料搬运机器人中使用，一个智能、敏捷的机械臂可能比一个具有触觉反馈的系统更早实现。
触觉技术最终可能赋予机器人更强的“自我”意识
说传统意义上的触觉技术已被放弃是不公平的。如果说有什么区别的话，那就是它已经进化了，包含了能够感知、也能与人类分享这种感觉的机器。总部位于蒙特利尔的 Kinova Systems 公司目前正在为其现有的、由操纵杆控制的 JACO 夹持臂开发一种触觉增强升级。该臂可以安装在轮椅上，使上身残疾者能够抓取和操作物体，并在这样做时通过夹持器的三个独立控制的、欠驱动的“手指”获得精细的“触感”。研究的第二阶段会将反馈应用于操作员，可能通过手臂或头带。但第一步将是能够感知和识别它们所触摸物体的夹持器，并相应地进行调整；例如，一杯水可能需要保持水平，并施加足够的压力以保持抓握，以避免打碎玻璃。
换句话说，触觉领域最终可能首先帮助到机器人。如果像剑桥研发、SynTouch 和 Shadow Robot 这样的公司能够成功吸引机器人领域的主要参与者——那些系统已广泛应用于医院、油井下，或世界各地的战场和灾难地区的参与者——那么这些机器将需要更少的监控。它们会在扳手掉进油污中之前抓住它，或者在炸弹缠绕的电线中剪断一根电线。可以称之为一次幸运的意外：在致力于制造能够传输触觉、更易于控制的机器的过程中，机器人学家已经制造出了更好地控制自己的机器。
简介：Erik Sofge 是一位居住在马萨诸塞州的技术、科学和文化作家。他是《大众机械》、《大众科学》、《男人健康》、《华尔街日报周末》的常客。他的作品还刊登在《Slate》、《Fast Company》和《2012 年最佳美国科学写作》上。
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