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为机器人装蝗虫耳朵,以色列科学家实现生物感测器新突破

2024-11-02 207


身为哆啦 A 梦伪粉,笔者某天刷到“哆啦 A 梦为什么没有耳朵?”问题时,迫不及待点进去想知道答案。

不少网友表示,原本黄色的猫形机器人哆啦 A 梦睡觉时被机器老鼠吃掉耳朵,还被妹妹哆啦美嘲笑,伤心的哆啦 A 梦被蓝色眼泪淹没,于是变成熟悉的“无耳蓝猫”。

不过,消失的耳朵似乎不影响哆啦 A 梦听见外界的声音──正如某网友所说,哆啦 A 梦本质上是披着软外套的金属机器人,大致可推断耳朵、外套材料一样,也就是说原来的耳朵只是装饰品。

问题来了,现实中机器人的耳朵到底是什么?

第 40 届声学、语音和讯号处理国际大会 ICASSP2015,《Robot audition: Its rise and perspectives》(机器人听觉:兴起与展望)论文提到:

  • 机器人用“耳朵”同时听到几件事,正是基于听觉能力,这也是改善人机互动与共生的重要因素。
  • 机器人听觉主要有三大功能:声源定位、声源分离、分离后的声音辨识。
  • 听觉关键在于噪音环境即时运算和健壮性,以及各种机器人和硬件配备的高灵活性。

通俗讲,要让机器人“听见”,就需要麦克风阵列将声音讯号转换为电子讯号,随后处理电讯号获得声音内的讯息。

当然,打造机器人听觉,说起来容易做起来难。

机器人的听觉系统需要感测、机械、控制等因素协调配合,可谓涵盖多学科,想做到像人耳(能分辨声音类型、内容、来源、远近、方位等)是很困难的事。

既然模仿生物耳朵不易,那么直接把生物耳朵“接”在机器人身上可行吗?这有点古怪甚至可说残忍的想法,来自以色列特拉维夫大学的研究小组。

不久前团队题为 Ear-Bot: Locust Ear-on-a-Chip Bio-Hybrid Platform(耳朵机器人:蝗虫耳朵芯片生物混合平台)的研究成果正式发表于《感测器》期刊。

生物耳朵有何优势?

研究团队选定的主角是蝗虫。经过数亿年进化,昆虫已获得自然界最为效能强大的感官,如果把这些感官当成感测器,比起多人做感测器,自然感测器的优势在于体积小、重量轻、功耗低、适用多变环境。

尤其听觉方面,昆虫的听觉感测器经过多次进化,可发挥场景分析、交流功能,有高度多样性,具体来看:

  • 形态上,耳朵可以是近场敏感的触角,也可以是远场敏感的鼓膜。
  • 功能上,可以是窄频过滤器(蚊子),也可以是宽频感测器(夜蛾)。
  • 神经处理上,可以只有一个神经元(夜蛾),也可以有数千个干预神经元(雄性蚊子耳朵有 15,000 个神经元)。

沙漠蝗虫耳朵较敏感,涵盖频率范围广,可当成从神经系统读取电生理讯息的好模型。

(Source:MDPI,下同)

研究团队表示:

目前为止,还没有哪项研究证明生物混合机器人平台(bio-hybrid robotic platform)能透过生物感测器回应声音。机器人平台加入生物感测器,有两方面优势,一是可将行为、能力与特征鲜明的自然蝗耳比较,二是可与纯粹的技术设备(麦克风阵列)比较。

把蝗虫耳朵“接上”机器人

论文显示,研究团队设计生物混合平台 Ear-Bot,整合沙漠蝗虫的听觉系统为输入,与行动机器人平台连结。

简单讲就是打造蝗虫耳朵芯片 Ear-Chip,当作机器人的听觉感测器。团队利用微生理系统(MPS,也称芯片器官 OoC)的最新发展,也就是“人体器官芯片技术”。

人体器官芯片是新兴尖端技术,指在载玻片大小芯片上构建器官生理微系统,包含活体细胞、组织界面、生物流体等器官微环境等关键要素,可在体外模拟人体组织器官的主要结构功能特征及器官间联系。人体器官芯片技术背后是多学科汇整,曾在 2016 年列为十大新兴技术之一。

Ear-Chip 设计能使蝗虫耳朵长期活着,同时也保证能装上行动小型机器人平台(如下图 a 所示)。

研究团队透过 SolidWorks CAD 软件设计芯片,然后透过 3D 打印生物相容性牙科透明树脂制作芯片,最终成功创造出持久的微型感测装置。

研究团队创建模组化组织支援和讯号分析自定义算法。Ear-Bot 还配备客制电极,可测量耳朵的生理反应讯号,并传给机器人。如上图 b 所示,机器人还整合处理讯号和运行不同算法所需的所有电子设备(包括前置放大器、电路板等)。

除了客制芯片 Ear-Chip 和电极,机器人平台还包括一个讯号放大器、一个控制器和讯号处理器系统(CSPS)。

反应不同方向和距离的声音

具体效果如何?实验表明,Ear-Bot 对声音的反应与使用麦克风为输入的反应类似。

研究人员拍拍手,蝗虫耳朵就会辨识声音并转为电讯号,并传输至机器人电生理测量系统、控制器和讯号处理系统。

Ear-Bot 系统更能于噪音背景下区分电机和拍手声。也就是说,蝗虫耳朵对各种频率都较敏感,可对真实声音有反应。如下图所示,最佳反应在 3.5kHz ±2,对不同方向声音的反应无显著变化,且对距离 5~35 公分的声音反应无差异。

可见 Ear-bot 能对不同方向和距离的声音有反应。论文合著者之一 Ben M. Maoz 博士表示:

我们应当更深入挖掘、利用自然界的现象和规律,我们证明的原理其实还可用于其他感官,如气味、视觉和触觉。某些动物对发现爆炸物、毒品方面有惊人能力,或许我们可做出有生物鼻子的机器人。

自然往往领先科技。期待科学家以自然为灵感,带来更多尖端科技发明。

  • Robot audition: Its rise and perspectives
  • Ear-Bot: Locust Ear-on-a-Chip Bio-Hybrid Platform
  • Robot “Hears” through the Ear of a Locust
  • A Robot ‘Hears,’ Using Ear from a Locust

(本文由 雷锋网 授权转载;首图来源:影片截图)

2021-03-20 20:19:00

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