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 印象中，機(jī)器人似乎都不懼怕刀山火海，它們毫無痛覺，簡(jiǎn)直是妥妥的“工具人”。然而近日，來自新加坡南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)的科學(xué)家和其合作者在一項(xiàng)突破性研究中，采用一種類腦方法，幫助機(jī)器人具有了識(shí)別疼痛并在受損時(shí)進(jìn)行自我修復(fù)的能力。

該系統(tǒng)具有支持 AI 的傳感器節(jié)點(diǎn)，可以處理并響應(yīng)由物理力施加的壓力引起的“疼痛”，還允許機(jī)器人在“受輕傷”時(shí)檢測(cè)并修復(fù)自身的損壞，而無需人工干預(yù)。研究論文已在線發(fā)表在 Nature 子刊Nature Communications 上。

（來源：Nature Communications）

當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)遇上憶阻晶體管
目前，機(jī)器人系統(tǒng)通常使用傳感器網(wǎng)絡(luò)來生成有關(guān)其周圍環(huán)境的信息。例如，災(zāi)難救援機(jī)器人使用攝像頭和麥克風(fēng)傳感器在廢墟下尋找幸存者，然后在其手臂上的觸摸傳感器的引導(dǎo)下將受困人員救出。在流水線上工作的工廠機(jī)器人，則使用視覺傳感器將機(jī)械臂引導(dǎo)到正確的位置，并通過觸摸傳感器來確定“手”上的物體是否在滑移。

而傳感器通常不負(fù)責(zé)處理信息，僅僅將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)生學(xué)習(xí)行為的單個(gè)、大型、強(qiáng)大的中央處理器(CPU)中。因此，現(xiàn)有的機(jī)器人通常布線繁瑣，響應(yīng)時(shí)間存在延遲。它們還擁有一顆“玻璃心”，非常容易“受傷”。

論文作者之一 Arindam Basu 說：“一個(gè)值得關(guān)注的問題是，人類在與機(jī)器人共同工作時(shí)，如何確保機(jī)器人能夠與我們安全地互動(dòng)。因此，世界各地的科學(xué)家一直在尋找使機(jī)器人具有感知能力的方法，比如“感覺”疼痛，做出反應(yīng)并承受惡劣的工作條件，但是，將眾多傳感器組合在一起所產(chǎn)生的復(fù)雜性和復(fù)雜系統(tǒng)本身的脆弱性，是傳統(tǒng)方法被廣泛采用的主要障礙。”

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(來源：新加坡南洋理工大學(xué))

而新的方法將 AI 嵌入到傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，從而教會(huì)機(jī)器人如何識(shí)別疼痛并對(duì)破壞性的刺激作出反應(yīng)。

首先，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)憶阻晶體管(memtransistor)進(jìn)行了創(chuàng)新，其功能如同人腦神經(jīng)元中的多個(gè)突觸，能夠使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有成千上萬的類似連接。

然后，他們將這種憶阻晶體管內(nèi)置于衛(wèi)星閾值調(diào)整接收器(Satellite Threshold Adjusting Receptors，STARs)中，使其成為能夠記憶和處理信息的“類腦”電子設(shè)備。在此系統(tǒng)中，它們被作為機(jī)器人的 AI 疼痛感受器和突觸。

(來源：Nature)

圖|所有的學(xué)習(xí)都在一個(gè)強(qiáng)大的大型中央處理器上進(jìn)行(左);而在新研究所提出的分散方法中，學(xué)習(xí)行為被嵌入到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中(右)

AI 與多個(gè)較小的，功能較弱的處理單元相連接，就像分布在機(jī)器人皮膚上的“迷你大腦”一樣?？茖W(xué)家們表示，這意味著學(xué)習(xí)行為直接在本地進(jìn)行，并且這種機(jī)器人的布線要求和響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)機(jī)器人減少了5-10倍。

新一代機(jī)器人的法寶：自愈

我們知道，傳統(tǒng)機(jī)器人有一個(gè)非常影響工作效率的缺陷，即當(dāng)被鋒利的物體劃傷時(shí)，機(jī)器人會(huì)迅速失去機(jī)械功能，并且需要人工修復(fù)，既費(fèi)時(shí)又耗錢。

而此系統(tǒng)的另一大創(chuàng)新則為彌補(bǔ)該缺陷帶來了希望——使用一種可自我修復(fù)的離子凝膠材料(ion gel material)。該離子凝膠材料的基本理念是將電極、可拉伸的聚合物與離子液體結(jié)合在一起。離子-偶極子(ion–dipole)相互作用，就可以增加聚合物上帶電離子和極性基團(tuán)之間的作用力，并且隨著離子電荷或分子極性的增加而增加。

(來源：Nature官網(wǎng))

圖 | 在 STARs 和衛(wèi)星重量調(diào)整電阻記憶(SWARMS)中加入自我修復(fù)的離子凝膠，當(dāng)受到損傷時(shí)，它們會(huì)自我愈合(a);受到損傷時(shí)，離子液體包裹體通過塑化機(jī)制(掃描電子顯微鏡[SEM]圖像)改善聚合物外殼的熱遷移率，從而觸發(fā)自愈過程 (b)因此，當(dāng)機(jī)器人受到損壞時(shí)，比如出現(xiàn)劃傷或機(jī)械破壞，則自修復(fù)離子凝膠中的分子就會(huì)開始相互作用，使得機(jī)器人將其傷口“縫合”在一起，并在保持高響應(yīng)性的同時(shí)重新恢復(fù)功能。

論文作者之一 Rohit Abraham John 說：“這些新型設(shè)備的自我修復(fù)特性可以幫助機(jī)器人系統(tǒng)在劃傷或刮傷時(shí)，即使在室溫條件下也能反復(fù)將傷口“縫合”起來。這類似于我們?nèi)祟惖纳锵到y(tǒng)運(yùn)作方式，就像人類皮膚能夠自行愈合一樣。”

在一個(gè)公開視頻中，研究團(tuán)隊(duì)展示了機(jī)器人如何實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)對(duì)傷害的反應(yīng)。

他們首先拔掉了機(jī)器人的電極線(代表受到外界傷害)。

然后，再人工向機(jī)器人施加壓力，可以看到，即使在損壞后，機(jī)器人仍能繼續(xù)對(duì)壓力作出反應(yīng)，這證明了系統(tǒng)的自愈性和魯棒性。

正如論文作者之一 Nripan Mathews 所說：“團(tuán)隊(duì)采用了不同尋常的方法，通過在機(jī)器人身上應(yīng)用新的學(xué)習(xí)材料、設(shè)備和制造方法來模仿人類的神經(jīng)生物學(xué)功能。盡管這一研究仍處于原型階段，但為該領(lǐng)域提出了一個(gè)重要的框架，為研究人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)指明了新的方向。”

最后，對(duì)于自己“忍痛”為科學(xué)進(jìn)步所作出的貢獻(xiàn)，當(dāng)事機(jī)器人表示：🙂(很樂意的意思)(此觀點(diǎn)僅為學(xué)術(shù)君的大膽猜測(cè)，真相如何請(qǐng)咨詢當(dāng)事“人”)