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15个维度下数字化的触觉
(2017-02-23 12:57:52)
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杂谈 |
编者按：与视觉和听觉相比，触觉最能与人产生情感上的共鸣。舒适的触觉让我们联想到家的温暖，让我们倾心于某件商品。冷与热，坚硬与柔软，粗糙与光滑，这些形容词的背后，是无数的神经受体不停地测量着压力，振动频率，热量，再通过大脑将测量结果转化为我们的知觉。数字化触觉，就是这一复杂过程的解构，既是人类认识自我的探索之旅，也可以应用于质量控制，虚拟现实，机器人与假肢等诸多领域，具有重大的商业价值。今天我们要介绍的SynTouch公司，就是触觉数字化的先锋。
SynTouch: 15个维度下数字化的触觉
美国的一家面料供应商遇到了一件难事。他们刚刚升级了生产线。第一批产品却遭到了退货。客户－一家高端牛仔裤品牌－的理由是：新的面料摸起来很“廉价”。这让供货商犯了难。这种说不清道不明的“廉价感”究竟是什么？生产线上究竟出了什么问题？
这就是触觉微妙的存在。我们依靠触觉感知外部世界，并与这个世界交流。在人工智能迅速发展的今天，人们也迫切需要人工智能设备具备与皮肤相同的触觉感知能力。那么，触觉究竟是什么呢？
美国的一家初创企业SynTouch是触觉数字化方面的先锋。SynTouch公司成立于2008年，总部位于洛杉矶。他拥有世界领先的触觉传感技术。他们的传感器使机器像人手一般拥有了触觉意识。其中的BioTac传感器是当今世界上最有效的仿生触觉传感器，并且已集成到几乎所有的机器人研究平台。小型化的NumaTac传感器，则被用于改善假肢和机器人手臂。
仿生的触觉传感器技术
首先让我们来明确一下手指各个部分在触觉感知中的作用，并且了解BioTac是如何进行模拟的。
为了模拟人类的触觉体验，BioTac包含了手指各个部分，包括“皮肤”；“指甲”，“指纹”和“骨骼”。“皮肤”是乳胶材质的，内部填充了黏性液体，而“骨骼”部分是一个刚性的芯片，集成了多个传感器。
首先，人类对于在指尖上的小振动具有灵敏的知觉，这得益于一种叫巴西尼小体（Panician corpuscle）的结构。指纹可以增强这种感知。当BioTac的乳胶“皮肤”表面上出现振动时，这些振动通过"皮肤"和黏性液体以非常小的衰减速度传播到芯片内部，并被芯部内的压力传感器检测到。BioTac比人类指尖更敏感，并且能够感测到几纳米的振动。凭借这种高灵敏度，它能够区分更精细的纹理。
其次，人类的指甲帮助我们感觉摩擦。那是因为摩擦力导致指甲周围的皮肤产生拉伸和膨胀。BioTac中的“指甲”与“皮肤”也会产生类似的拉伸，而拉伸的程度被该区域中的电极检测到。
第三，导热的金属使热更容易散失，因此指尖触摸到金属会感觉到冷。使用这个原理，BioTac设计了一个加热器和热敏电阻来捕获相同的现象，用来区分对象的材质与温度。所有这些测量的电子器件都保护在刚性核心内部。
触觉的数字化标准
基于这些传感器技术，SynTouch建立了触觉数字化标准－SynTouch Standard。这一标准更精确地量化了材料的触觉质量。SynTouch 与谷歌、微软、阿迪达斯和宝洁等诸多行业巨头合作，将这一标准用于产品表面的质量控制。在这一点上，SynTouch想做触觉领域的“彩通”(Pantone)。彩通开发的“彩通配色系统”是油墨色彩方面的国际引用标准。
不过，触觉本身是一个异常复杂的的体系。SynTouch的科学家们将触觉分解为了纹理、柔软度、摩擦、热传导与黏性这五大方面的15个维度。这些维度的信息都可以通过传感器读取到。
①纹理（texture）。布料，木料等材料表面往往存在着纹理，有的是规则的，有的是不规则的。在SynTouch的系统中，纹理被分为了宏观与微观两类，以纹理间距1mm为 划分界限。宏观纹理指的是间距大于1mm的纹理。这里又包括了三个参数：宏观纹理浮出表面的高度(mTX)，纹理间距(mCO)，和纹理的规则性(mRG)。 微观纹理指的是间距小于1mm的纹理，包含了两个参数：微观纹理浮出表面的高度(uRO)与微观纹理的间距(uCO)。
②柔软度（compliance）：触觉告诉我们一种材料是柔软还是坚硬。柔软程度是一个内涵非常丰富的概念，要用5个参数来表征。首先是触觉硬度(cCM)。这是指压力施加在表面时，表面的形变程度。其次是局部变形(cDF)，指变形发生时，表面环绕指尖的量，究竟是保持一个平面的形状，还是会环绕指尖；第三是阻尼(cDP)，指表面在变形后，恢复到初始形状的速度；第四是弛豫(cRX)，指表面是不是能维持对外压的反作用力。第五是屈服(cYD)，指的是材料表面受压以后回弹的程度。
③摩擦（Friction）：物体表面的摩擦力决定了我们要用多大的力道去握紧物体。这里也分为两个参数。一是静摩擦(fST)，指克服摩擦，使物体开始滑动时需要的力度；二是动摩擦(fRS)，指开始滑动后，保持滑动需要克服的阻力。
④热传导（thermal）：当温热的手指接触表面时，我们依靠热量去感觉表面的材质与温度。因此，热量也是触觉的一部分。这里分为两个参数，一个是热冷却速率(tCO)，是表面从指尖吸热的初始速率。第二是热持久性(tPR)，指表面继续从指尖吸热的速率。
⑤黏性（adhesive）：黏度只有一个参数，就是粘合力(aTK)，指破坏与表面接触所需的力。
织物的触感质量控制
在以前，织物质量控制没有客观的标准，通常只是由专家人为判断。因此，面料供应商常常会因为一些稀奇古怪的理由遭到退货。比如我们开头提到的这个例子。他们于是找到了SynTouch。经过SynTouch的检测，发现在生产线上的某一步之后，新产品与旧产品在驰豫和静摩擦两个参数上产生了差别。公司着手解决了该步骤中存在的问题，产品的“廉价感”就消失了。
得心应手的假肢
触觉传感的另一个用途是假肢与机器人。没有触觉检测的假肢会让功能性大打折扣，捏光滑的杯子和捏西红柿是一样的力道，重了会把后者捏碎，轻了则捏不住前者。在由美国国立卫生研究院（NIH）资助的研究中，SynTouch将BioTac传感器集成到假肢中，以提高用户的感知和触觉能力。通过这项工作，他们还发现了如何将这些高度细微的传感器组合成一个自动反馈系统，使其工作方式与真正的人类手指大致相同。这就给予用户一种前所未有的能力——机器手有了像真手一样的条件反射，用户不必主动地考虑，就可以用恰当的力量来拾取物品。
值得一提的是，SynTouch的团队中还有一位残疾人工程师。他生来只有一只手。参与假肢研究的他成为了公司产品的试用者。公司的视频，有他用SynTouch假肢为自己做饭的场景。
此外，假肢还可将应用于计算机上精细的外科手术中。将在吻合术中缝合血管的感觉量化，以帮助医学生们高质量的完成手术。
公司创始人
SynTouch公司的CEO一职由生物医学工程教授Gerald E. Loeb出任。他长期致力于神经修复-电子设备和神经系统之间的接口，用于替代感觉和运动功能，纠正神经问题患者的功能障碍。Loeb教授在美国国家卫生研究院的神经控制实验室工作了15年，在皇后大学工作了12年。他是生理学教授和生物医学工程系的主任。并曾担任Advanced Bionics Corp.的首席科学家。1999年9月他加入了南加州大学。至今已发表了超过300篇文章，拥有65项美国专利。
融资状况
SynTouch是从南加利福尼亚大学“医疗设备开发中心”的分离出来的一家公司。该公司已被授予总计超过250万美元的联邦研究资助（“小企业创新研究”项目，SBIR），用于开发先进的触觉传感应用。为了保护知识产权的完整性，SynTouch从一开始就决定不从风险投资融资，而是通过销售收入逐步取代基金。
公司综合评估
技术的TRL评分（满分为9分）：7分（在工业实验中证明样本可行）
技术价值：4星（满分5星，下同）
理由：SynTouch Standard系统拥有了很高的触觉信息涵盖范围，通过纹理、柔软度、摩擦、热传导与黏性这五大方面组成了15个参数，将感觉量化；BioTac传感器是世界上最有效的触觉设备，能够完成众多表面精细纹理识别。比如，可以鉴别皮革、织物和纸张等质量上的差别。相比传统的假肢，集成了该公司传感器的假肢革命性地提高了用户的感知和触摸能力。
可以达到的市场规模：4星
理由：百亿美元级别的市场。需要表面质量控制的企业，机器人与假肢的生产企业都是公司的潜在用户。其独特的触觉量化评估系统应用范围极广，可评估织物、玻璃、皮革、纸样和聚合物样品等的质量。并且，还在与同虚拟现实巨头公司Oculus合作开发更为精细的触觉反馈装置。
竞争状况：4星
理由：较大的市场空间，制造了世界上最先进的触觉传感器技术，它使机器人能够复制并且有时超过人类的触觉。率先实现了假肢的触觉功能，前景巨大。目前有力的竞争对手是斯坦福大学的鲍哲南研究组。
发展障碍：2星
理由：拥有成熟的产品，集成该公司传感器的假肢已经实现了商业化；独特的触觉评估系统也已经与谷歌、苹果等巨头公司建立了紧密的合作。
技术的专利状态：5星
理由：已拥有数十项核心专利，且有非常广泛的专利保护，很难被简单复制。
技术管理能力：5星
理由：拥有自动化技术专家Gerald E. Loeb和Jeremy A. Fishel领导的技术团队与资深高管David E. Groves领导的管理团队。团队的成员对技术都充满热情。
投资者的进入潜力：3星
理由：已获得总计超过250万美元的联邦研究资助。公司不打算寻求外部融资，但是需要寻找客户与可以合作的代工厂家。
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标题图片：SynTouch官网
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