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通过传感器与AI的融合,构建人与机器的新关系

通过haptics(振动反馈)实现“人机一体”

视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉,即所谓的五感,是所有生物不可缺少的生存能力。五感的敏锐程度直接关系到判断能力和运动能力的高低,每种生物都具有适应其生存环境和生态的五感。特别是作为智慧生物的人类,还能充分调动五感来完成各种操作和工作。在电脑上工作时,通过视觉来理解文件和图像的内容。与客户洽谈时,通过用听觉听对方讲话、用视觉观察对方的面部表情来进行交涉。而厨师则更是充分发挥五感来烹制令人感动和记忆深刻的菜肴。

专业人士达到的“人机一体”的境界

是否具有把握身边环境和状况的五感,可以说是人与机器的根本区别。当然,有些机器配备了感知特定现象的传感器,可以精准执行规定的工作。但是,这类机器只能处理一定范围内规范化的状态、形状、动作等工作。因此,即使是使用高级传感器自主控制动作的工业机器人,也很难与无法预测下一步会做什么行为的人类共同工作。因为人与机器之间存在着明显的主从关系,即操纵者与被操纵的工具。

但是,在掌握熟练技能的专业人士中,有人可以巧妙地把机器如自己的手脚般运用自如。例如,在使用车床和铣床进行高精度金属加工的技术人员中,有人能够根据传达至自己手上的微妙振动或手感来操作机器,进行以微米为单位的精度加工。另外,专业赛车手会根据赛道的弯曲程度和速度,感受重力加速度(G)的变化和路面的振动,通过准确的操作来缩短行驶时间。

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在赛马中,骑手和马匹以心传心达到一体化、从而完成正确动作的状态被称为“人马一体”。而前面提到的专业人士,在工作时可以说是“人机一体”。

现代社会,往往容易依赖视觉和听觉的信息

与一般的机器操作者相比,达到人机一体的境界、技术水准令人叹为观止的专业人士究竟哪里不一样呢?在充分利用五感工作这一点上应该有很大的不同。

在现代社会,智能手机、电脑等数字工具已经广泛渗透到生活和工作中。因此我们往往容易偏重根据五感中视觉和听觉的信息做出判断和行动。从某种意义上说这似乎是很自然的事情。然而数字工具虽然非常方便有用,却无法表达嗅觉、味觉、触觉的信息,因此无法触动用户的全部五感。现代人在不知不觉中已经习惯了这一点。

《产业教育机器系统手册(教育机器编辑委员会编日科技联出版社)》中指出,人类感知到的信息中,83%来自视觉、11%来自听觉。剩下的三种感觉中,嗅觉仅占3.5%,味觉仅占1%,触觉仅占1.5%。仅凭视觉和听觉就覆盖了人类认知信息的九成以上,因此可能很多人认为这样就足够了。但是,为了发挥更高度的判断和达到更出类拔萃的表现,运用一般人不会使用的感觉是非常必要的。进一步发展人机界面(HMI)、连接人类与机器的启示即在于此。

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用数字工具处理触觉的haptics(振动反馈)

随着传感器、致动器以及人体工学等技术的进步,触觉的扩展概念——触力觉*1通过数字技术得以再现,并作为信息的表现手段得以活用。这种技术被称为“haptics(振动反馈)技术”。

*1 触力觉指广义的触觉。 感到被拉或推等的“力感”,接触或感知软硬的"压感",感受表面触摸的"触感"等,是肌肤感受到的感觉的总称。

如果将haptics技术活用到HMI,即能让人感受到视觉和听觉无法传达的信息。触力觉是通过接触皮肤才能传达的感觉。因此,人类只要感受到触力觉,即能判断是有实体的物体在实际接触。利用人类的这种性质,我们能够传达出视觉和听觉无法获得的实体感和质感等具有现实感的信息。haptics技术手段能够使游戏和Virtual Reality(虚拟现实)等更具有临场感,其活用备受期待。

将触力觉信息数字化从而实现人与机器一体化

haptics技术的应用不仅限于游戏和VR。通过将触力觉信息数字化,有可能创造出具备前所未有功能的电子设备和机器人等。一般来说,通过将信息数字化,可以使信息的处理和加工更加容易。例如,作为视觉信息的文字、图形、图像,即使是模拟数据也能记录和播放。通过将其数字化,可以将日语的文字信息翻译成英语,实现极其高级的处理。

那么,通过将触力觉信息数字化,有可能扩展出怎样的应用呢?让我们展开想象的翅膀,稍作思考。

我们假设一个人操控机械臂抓住物品搬运的场景。如果将haptics技术应用于此,那么操作者就能够感受到机械臂触摸物体时的触感,可以在调整动作的同时灵活地处理柔软的物体或形状复杂的物体。而且,如果减弱操控者的动作,增强机械臂触摸的感触和反应,把触力觉传达给操控者的话,结果会怎样呢?我们可以创造出一种手术机器人,一边摸索着感受患部的状况,一边进行缜密的手术。相反,如果能增强人的动作,减弱机械臂抓起物体的重量感,那么建筑工地上的起重机等就能像我们自己的手脚一样被自由地操控了。这样,就真正实现了人机一体的状态。

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事实上,这些应用并不是虚构的想象,都是正在实际研究开发中的技术。haptics技术将人和机器的动作、感觉融为一体。为了使人能够像操纵自己的手脚一样操纵机器,这将是不可或缺的技术。

机器人拥有五感的日子即将到来

前面我们讲到人在操控机器时如果使用haptics技术,就可以实现更加灵活精密的操作。也许有人已经注意到了,电子控制电路和人工智能(AI)也可以代替人操控机器。这样一来,我们将有可能制造出像熟练的技术人员、专业赛车手、名医一样,以触力觉为基础进行高级判断和操作的自主型机器人。

如前文所述,人类所具备的五感中,除了视觉和听觉已经广泛深入地活用之外,触觉也已可以用数字技术来处理。此外,在研究水平上,一些技术的研究也在不断发展。比如利用检测呼吸气味的嗅觉传感器来诊断疾病的技术,以及利用味觉传感器将食品的味道进行数据库化、从而自由自在地设计想象中的味道的技术等等。检测五感并将其数字化,按照自己的想法来表现并开拓崭新应用技术的开发才刚刚起步。这里潜藏着重新定义人与机器关系的巨大可能性。

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