麻省理工学院的研究人员开发了一种“挖掘手指”机器人，可以挖掘沙子和砾石等颗粒状物质，并感知被埋物体的形状。功劳:麻省理工学院多年来，机器人已经非常擅长识别物体——只要它们在户外。辨别像沙子这样的粒状材料中的埋藏物品是一个更高的要求。为了做到这一点，机器人需要手指足够纤细，能够穿透沙子，足够灵活，能够在沙粒堵塞时自由蠕动，并且足够灵敏，能够感受到被埋物体的详细形状。
麻省理工学院的研究人员现在设计了一种配备触觉传感的尖端机器人手指，以应对识别埋藏物体的挑战。在实验中，名副其实的“挖掘手指”能够挖掘沙子和大米等颗粒状介质，并且能够正确感知遇到的水下物体的形状。研究人员表示，机器人有朝一日可能会执行各种地下任务，比如寻找埋在地下的电缆或拆除埋在地下的炸弹。
这项研究将在下一届实验机器人国际研讨会上发表。这项研究的主要作者是拉德恩·帕特尔，他是麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的博士后。合著者包括CSAIL博士生布兰登·罗梅罗、哈佛大学博士生南希·欧阳和爱德华·阿德尔森，他们是CSAIL和脑与认知科学系的约翰和多萝西·威尔逊视觉科学教授。
寻求识别埋在颗粒物质中的物体——沙子、砾石和其他类型的松散颗粒——并不是一个全新的任务。此前，研究人员使用了从上方探测地下的技术，如探地雷达或超声波振动。但是这些技术只能提供水下物体的模糊视图。例如，他们可能很难区分岩石和骨头。
阿德尔森说:“所以，这个想法是制造一个手指，它有很好的触觉，可以区分它感受到的各种东西。“举例来说，如果你想找到埋在地下的炸弹并使其失效，那会很有帮助。”将这一想法变为现实意味着扫清许多障碍。
该团队的第一个挑战是形式问题:机器人手指必须细长且尖端锋利。
在之前的工作中，研究人员使用了一种叫做GelSight的触觉传感器。传感器由透明凝胶组成，凝胶上覆盖着一层反射膜，当物体压在上面时，反射膜会变形。薄膜后面是三种颜色的发光二极管灯和一个摄像头。光线穿过凝胶照射到薄膜上，同时照相机收集薄膜的反射模式。然后，计算机视觉算法提取出手指接触物体的接触区域的三维形状。这个装置提供了一种极好的人工触觉，但体积庞大，使用起来很不方便。
对于挖掘者手指，研究人员主要通过两种方式减少了他们的GelSight传感器。首先，他们改变了形状，成为一个细长的圆柱体，顶端有斜面。接下来，他们丢弃了三分之二的发光二极管灯，使用蓝色发光二极管和彩色荧光涂料的组合。“这节省了大量的复杂性和空间，”欧阳说。“这就是我们如何能够把它变成如此紧凑的形式。”最终产品的特点是一种触觉传感膜大约2平方厘米，类似于指尖。
随着尺寸的整理，研究人员将注意力转向运动，将手指安装在机器人手臂上，挖掘细粒沙子和粗粒大米。当大量颗粒被锁定在适当位置时，颗粒介质有堵塞的趋势。这使得它很难穿透。因此，研究小组增加了振动挖掘手指的能力，并对其进行了一系列测试。
帕特尔说:“我们想看看机械振动是如何帮助挖掘得更深、穿过堵塞的。“我们在不同的工作电压下运行振动电机，这改变了振动的振幅和频率。”他们发现，快速振动有助于“流化”介质，清除堵塞，并允许更深的挖掘——尽管这种流化效果在沙子中比在大米中更难实现。
他们还测试了大米和沙子中的各种扭曲运动。有时，每种介质的颗粒会卡在挖掘者手指的触觉膜和它试图感知的埋藏物体之间。当这种情况发生在大米上时，捕获的颗粒大到足以完全模糊物体的形状，尽管通常可以通过一点机器人摆动来清除遮挡。被困的沙子更难清除，尽管颗粒的小尺寸意味着挖掘者的手指仍然可以感知目标物体的大致轮廓。
帕特尔说，操作员将不得不根据不同的设置来调整挖掘手指的运动模式，“这取决于介质的类型以及颗粒的大小和形状。”该团队计划继续探索新的动作，以优化挖掘手指导航各种媒体的能力。
阿德尔森说，挖掘手指是一个项目的一部分，该项目扩展了机器人触摸可以使用的领域。人们在复杂的环境中使用手指，无论是在裤子口袋里找钥匙，还是在手术中摸肿瘤。“随着我们越来越擅长人工触摸，我们希望能够在你被各种分散注意力的信息包围的情况下使用它，”阿德尔森说。“我们希望能够区分重要的东西和不重要的东西。”
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