港城大團隊打造有痛感的仿生皮膚，受傷會報警、換皮如換手機殼

近日，香港城市大學教授于欣格團隊給機器人披上了會痛的皮膚，他們研發出一款名為 NRE-skin 的神經形態機器人電子皮膚，可以像人類皮膚一樣感受觸覺，還能主動感知疼痛和受傷，讓機器人擁有接近人類的感知能力和自我保護能力。

他們把 NRE-skin 安裝在一個仿人機器人上進行演示。當被輕輕觸摸時，機器人的臉會露出微笑；當壓力增大到不適程度時，它會露出苦惱的表情；當壓力超過痛苦閾值，它的手臂皮膚會立刻觸發痛覺反射動作，同時臉上呈現出痛苦表情，完美模擬了人類的觸覺-反射鏈條。

論文第一作者高育育博士告訴 DeepTech：“我們希望機器人觸覺感知能力的提升能夠極大增強它的交互能力，使其在走入家庭后在執行諸如做家務、照顧老人、陪伴小孩時等與人類近距離交互的任務時更加安全和靈敏，從而友好地服務于人類。”

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

讓機器人受傷時會喊疼

據了解，這項技術最亮眼的地方在于讓機器人擁有了痛覺感知和損傷感知。

在 NRE-skin 中，于欣格團隊設計了一個疼痛中心。當外部對皮膚施加過大的機械刺激時，皮膚的類神經架構會將刺激轉化為脈沖并且持續積累，當累積超越設定閾值，即相當于人類感知疼的界限，痛覺信號就會被觸發，NRE-skin 會發出一個強烈的疼痛信號。

這個疼痛信號擁有最高優先級。它不會像普通觸摸信號一樣慢慢傳遞到機器人的大腦也就是主處理器去分析，而是像人類的反射弧一樣直接抄近路送到機器人的肌肉也就是局域電機控制器里。于是，機器人會在毫秒級的時間內做出縮手和躲避等保護性動作，完全無需中央程序干預。之后，中央處理器才會接收到疼過了的通知，讓機器人做出相應的表情比如痛苦臉和后續行為等。

此外，也可以調節這塊皮膚的敏感度。對于機器人需要精細操作的手指部分，可以設置得敏感些也就是痛苦閾值較低；而對于軀干等不那么脆弱的部位，可以設置得皮實些也就是痛苦閾值高。

人的皮膚劃傷了，我們會持續持續感到疼痛，從而知道哪里需要保護。機器人皮膚被割壞怎么辦？對于傳統電子皮膚來說，它們可能已經“死”了卻無法自知。

NRE-skin 則有一個巧妙的自我檢查功能。在每個傳感器內部，都設有一個生命電阻。在正常情況下，即使沒有外部觸摸，它也會每隔幾十秒產生一個生命脈沖，就像心跳一樣告訴系統自己還活著以及功能依然正常。

而一旦皮膚某處被嚴重割傷或損壞，那里的電路就會斷裂，生命脈沖也會隨之消失。系統內置的計時器在超過一定時間比如 300 秒沒有收到某個點的心跳后，就會判斷這一點處于受傷狀態，并持續發送損傷信號的報警。這樣一來，機器人立刻就能知道自己的皮膚被劃傷了，并提醒人類進行維護。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

給機器人裝上活皮膚，一摸就知位置，還能快速修復

NRE-skin 的核心靈感來自于人類自身的皮膚和神經系統。它不再只是被動地傳送信號，而是模仿了人類神經末梢主動產生脈沖信號的方式。皮膚上每一個微型壓力傳感器都連接一個脈沖發生器，當受到按壓的時候，就會產生一連串電脈沖，按得越重、脈沖頻率就越高。

這塊皮膚擁有一套三層密碼系統，能夠精確地告訴機器人哪里被觸摸到了。它被劃分成為許多小格子也就是像素點。于欣格團隊為每個點的信號設計了三種可以調節的特征：脈沖形狀、脈沖寬度和脈沖高度。

在第一層里，整塊皮膚會被分為幾個大區比如左上和右上等。每個大區的信號脈沖形狀不一樣，有的是尖峰狀，有的是圓頂狀。系統一看到脈沖形狀，就知道刺激發生在了哪個大區。

在第二層里，在每個大區內部，再被分成幾個小區。不同小區的脈沖信號寬度不同，有的短促只有 1 毫秒，有的稍長大約為 1.5 毫秒。

在第三層里，在每個小區內的每個獨立像素點，都被賦予了一個獨特的脈沖高度比如 0.5 伏。

通過這樣從粗到細的三層密碼解碼，機器人瞬間就能知道到底是哪一個具體的小點被觸摸了。而且，所有信號最后可以合并到一條通道里輸出，讓大面積鋪設皮膚成為可能。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

機器人如果磨損或損壞皮膚，也能像換手機殼一樣快速更換。NRE-skin 采用了磁性快拆接口設計。每塊皮膚模塊的邊緣都裝有微型磁鐵和電極。當需要更換的時候，只需要把損壞的那片輕輕撕下，然后將一片完好的新皮膚靠磁力吸上去，電路和機械連接就自動完成了。新皮膚接上之后，會先進行一輪自我檢查，確認所有像素單元正常之后，便會立馬投入工作。

此外，每塊皮膚還有自己獨特的身份 ID 信息也就是高頻特征峰，當多塊皮膚拼接成為一個大面積皮膚的時候，中央處理器可以清晰地區分信號來自于哪一塊，從而可以實現無縫協同工作。

圖 | 從左到右：于欣格、高育育（來源：受訪者）

高育育表示，本次研究始于對兩個核心問題的關注。

首先，在人口老齡化導致勞動力短缺的背景下，機器人進入家庭提供協助是必然趨勢，但現有機器人普遍缺乏觸覺感知能力，在與人交互時容易因不知輕重而造成傷害。因此，賦予機器人觸覺能力是首要前提。

其次，僅具備基礎觸覺還不夠，機器人還需要擁有痛覺和傷口感知能力，以實現與人的共情。例如，機器人雖能拿起高溫或尖銳物品，但必須理解這些物品對人可能構成的危險，才能以安全、友好的方式遞交給人類。只有機器人自身具備傷害感知能力，才能從人的視角出發思考交互過程。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

他繼續說道：“研究過程中，一個讓我印象深刻的挑戰是電子皮膚陣列化帶來的連線復雜性問題。陣列越多、連線越龐雜，后端理線也會極其麻煩。”

在探尋解決方案時，他深入了解了生物學知識，驚嘆于人體皮下神經連接的精妙與高效。人體皮膚末梢的神經分支通過樹狀結構層層級聯，在每一個節點對信號進行預處理，最終僅通過寥寥幾根主要的傳入神經就將信息傳遞到大腦。

這種高效、精簡的結構給了高育育極大的啟發，促使他決心完全模擬這一傳遞流程。正是受此啟發，才設計出僅用六個接口就能實現皮膚模塊擴展與拼接的方案。

高育育表示，采用類神經脈沖進行觸覺傳輸并非首次，但關注機器人的痛覺能力屬于較早的探索。當前普遍觀念認為機器人應無所畏懼，因此較少關注其是否需要痛覺。而在主動傷口識別方面，據高育育所知，本研究應是首個專注于該方向的工作。

（來源：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122）

“皮膚作為人體最大的器官，也將是機器人最重要的器官之一，賦予其擬人化的觸覺與感知能力是剛需，市場潛力巨大且技術方案尚未形成共識。我希望能在此領域貢獻自己的力量，加速機器人獲得這些關鍵能力，從而更好地與人類共存協作。”他最后說道。

參考資料：

相關論文https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520922122