“攻克‘卡脖子’技术需要大兵团式的科研攻关。”之江实验室主任朱世强说，“单打独斗”和“包打天下”全谱系创新的科研模式已不适应多学科交叉、投入强度大、目标宏大的大科学时代
文 |《瞭望》新闻周刊记者 朱涵
在之江实验室触觉感知团队实验室，《瞭望》新闻周刊记者见证了一束光的力量：一只机械手将钥匙插入锁口，向右旋转90度，轻轻向后带出柜门，打开保险柜，一套动作行云流水。机械手的“感觉”，主要依靠“光学皮肤”。这束光的背后，是微纳光纤为核心元件研制的高灵敏度的触觉传感器。
感而致知，而后致智。触觉是人认识并理解世界的重要手段。对人工智能而言，谁能研制出能够捕捉极为微弱的压力、超越人体触觉感知极限的高性能触觉传感器，就有望在智能机器人等前沿研究领域拔得头筹。
在新型研发机构之江实验室，以国家战略需求为导向，科研人员以大兵团式的科研攻关，在世界科研竞争前沿与顶尖实验室同台竞技。在触觉感知领域，以微纳光纤为人工神经，研制高灵敏度的触觉传感器，让团队初尝领先滋味。
大兵团式科研攻关
“机械手在开锁时，能够感觉到钥匙所受到的阻力，因此能够自主采用合适的力度来完成任务。”之江实验室类人感知研究中心副研究员肖建亮说。
触觉感知是“五感”感知的重要一环，对实现由“感”到“知”的跨越至关重要。人们很早就意识到触觉的重要。《易传》有“寒暑相推而岁成也”，并在冷热感知之上建立起朴素的时间观。
感知然后执行，具备了这两种能力，机器人就能更好地实现类人、仿生智能。大数据是人工智能的基础，传感技术是获取数据的关键，也是我国的技术瓶颈所在。
当前科研范式之下，“攻克‘卡脖子’技术需要大兵团式的科研攻关。”之江实验室主任朱世强说，“单打独斗”和“包打天下”全谱系创新的科研模式已不适应多学科交叉、投入强度大、目标宏大的大科学时代。
在“高原造峰”的原则下，之江实验室从国内外集聚了一支顶尖科研团队，在重大任务策划委员会的指导下，挖掘布局了一批具有原创性引领性战略性的科研项目。成立5年来，之江实验室聚集近4000名研究人员，高密度承担国家战略科技任务。
智能感知是之江实验室确立的主要研究方向之一。寻找机械手的“感觉”成为触觉感知团队的共同目标。
从生物学上看，人类的触觉来源于皮肤，皮肤中的各种触觉感受器对不同的外界刺激产生响应，各种刺激信号经过神经的传递，在大脑中进行融合，实现触觉感知。
目前，电子皮肤、仿生皮肤、数据手套等触觉传感相关领域的研究在蓬勃发展，基于电学原理的电子皮肤触觉传感器研究取得了很大成功，但电子皮肤在使用过程中面临电磁干扰、响应时间、使用寿命和大面积集成等诸多挑战。
针对这些痛点，之江实验室触觉感知团队另辟蹊径，以微纳光纤为人工神经，打造高性能触觉传感器。微纳光纤是一种直径在微纳尺度的光纤，粗细相当于头发的几十分之一，是一种直径接近或小于传输光波长的介质。2003年，浙江大学童利民教授在《自然》杂志发表论文，首次介绍了微纳光纤的制备方法和光学传输特性之后，微纳光纤成为光学领域的研究前沿之一，被誉为“下一代光纤”。
之江实验室类人感知研究中心触觉感知团队长期跟踪这一研究领域的前沿变化，负责人张磊教授介绍，微纳光纤外围的强倏逝场对于外界刺激非常敏感，在制备新型触觉传感器时具有突出优势。
这让蹊径不孤。
之江实验室的研究人员操作机械手借助触觉反馈稳定抓取易变形常见物品（2022年2月17日摄） 周立超摄
“鼓励自由探索，但不能信马由缰”
蹊径不孤的背后，之江实验室这所政府、高校、企业三方共建，混合所有制事业单位性质的新型研发机构，让科研人员充分体会到了新型科研组织模式的优势。
“鼓励自由探索，但不能‘信马由缰’。在之江实验室，我体会到什么是‘有组织’地做科研。”肖建亮说。
实验室根据项目需要进行人员组合，以触觉感知团队为例，这个团队平均年龄30岁左右，有20名科研人员，其中全职的13人，其余为双聘人员。光电、材料、力学、计算机、电子、生物医学工程等不同学科背景的成员，为同一个目标聚集在一起。
为了不同背景能够组合在一起，之江实验室打破传统科研模式中不利于交叉创新的环节，制定160余项新制度。比如，鼓励多学科交叉会聚与多技术融合创新，在职称评审、职级晋升等制度中，不强调论文指标，更看重科研人员的实际贡献。又如，针对提倡团队合作，在考核制度上做了相应的创新性设计，在重大项目考核中，对骨干成员与团队负责人，几乎是一样的权重，激发团队成员密切合作。“我们的成果能够直接用到机器人中心的项目上进行验证，智能计算团队的支持则帮助我们迅速解决了算法问题。”肖建亮说。
目前，触觉感知团队已研发出一系列极限条件下触觉感知与微观尺度下精密制动的系统和器件。
“微纳光纤传感器能够感受到极为微弱的变化。比如一粒花粉的落下、一段悠扬的音乐，或者是人体无法分辨的0.01摄氏度的温度变化，都会造成封装在柔性薄膜中微纳光纤输出光谱的显著改变。”张磊说。
实验室里，机器手掠过装满了咖啡的一次性杯子的上方，就能“识别”冷热。杯子柔软易变形，机器人借助微纳光纤的力传感控制抓力，杯子能被稳稳抓起，咖啡则不会溢出。
“触觉让我们敏锐感知外界压力、温度等环境因素的微小变动，得以安全、高效地应对环境变化。”张磊说。
在一些领域，微纳光纤传感器已能超越人类极限，比如够感受到一束光的照射。1619年，著名天文学家开普勒提出了假设：彗星尾部所指的方向总是背离太阳，或许是因为受到了太阳光的“吹拂力”。之后，科学家从理论和实践中，证实了这一点，并测出光压的大小。
这意味着传感器能够测试10的负12次方牛顿的力。对人类的感受而言，这样的力实在是微乎其微。对人工智能而言，拥有超越人类极限的能力，则意味着能够胜任更多更复杂的任务。
大胆布局新赛道科研项目
“在之江实验室能够快速组织团队，可以自主设立课题，但在这里做事也很难，因为必须要拿出看得见、摸得着的干货来。”张磊说。
一批大胆布局新赛道的科研项目正在按计划推进，触觉感知团队也在实现更多科学畅想：
比如，基于微纳光纤的感知原理，触觉传感器可以贴在皮肤上监测生理指标，还能与手套集成，感知手部关节的运动，实现对机械手的远程精准操控；
在智能医疗领域，微纳光纤触觉传感器提供轻量、便捷、无感的指标测量服务，优化脉搏、呼吸率和体温等生理指标的测量体验；
在家政服务领域，拥有这款类人皮肤的机器人，以敏锐的触觉感知为基础，为老人和小孩提供更安全的呵护。
分子层面的触觉研究已经取得突破，但是类人触觉感知与高保真触觉再现技术仍然面临很多难题与挑战。
“我们希望构建自然人、数字人与机器人的触觉信息通道。”张磊说，他们将向科学的山巅发起新一轮冲刺。■
