為機器人裝蝗蟲耳朵,以色列科學家實現生物感測器新突破

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 20 日 0:00 | 分類 尖端科技 , 機器人 , 科技趣聞 Telegram share ! follow us in feedly


身為哆啦 A 夢偽粉,筆者某天刷到「哆啦 A 夢為什麼沒有耳朵?」問題時,迫不及待點進去想知道答案。

不少網友表示,原本黃色的貓形機器人哆啦 A 夢睡覺時被機器老鼠吃掉耳朵,還被妹妹哆啦美嘲笑,傷心的哆啦 A 夢被藍色眼淚淹沒,於是變成熟悉的「無耳藍貓」。

不過,消失的耳朵似乎不影響哆啦 A 夢聽見外界的聲音──正如某網友所說,哆啦 A 夢本質上是披著軟外套的金屬機器人,大致可推斷耳朵、外套材料一樣,也就是說原來的耳朵只是裝飾品。

問題來了,現實中機器人的耳朵到底是什麼?

第 40 屆聲學、語音和訊號處理國際大會 ICASSP2015,《Robot audition: Its rise and perspectives》(機器人聽覺:興起與展望)論文提到:

  • 機器人用「耳朵」同時聽到幾件事,正是基於聽覺能力,這也是改善人機互動與共生的重要因素。
  • 機器人聽覺主要有三大功能:聲源定位、聲源分離、分離後的聲音辨識。
  • 聽覺關鍵在於噪音環境即時運算和健壯性,以及各種機器人和硬體配備的高靈活性。

通俗講,要讓機器人「聽見」,就需要麥克風陣列將聲音訊號轉換為電子訊號,隨後處理電訊號獲得聲音內的訊息。

當然,打造機器人聽覺,說起來容易做起來難。

機器人的聽覺系統需要感測、機械、控制等因素協調配合,可謂涵蓋多學科,想做到像人耳(能分辨聲音類型、內容、來源、遠近、方位等)是很困難的事。

既然模仿生物耳朵不易,那麼直接把生物耳朵「接」在機器人身上可行嗎?這有點古怪甚至可說殘忍的想法,來自以色列特拉維夫大學的研究小組。

不久前團隊題為 Ear-Bot: Locust Ear-on-a-Chip Bio-Hybrid Platform(耳朵機器人:蝗蟲耳朵晶片生物混合平台)的研究成果正式發表於《感測器》期刊。

生物耳朵有何優勢?

研究團隊選定的主角是蝗蟲。經過數億年進化,昆蟲已獲得自然界最為效能強大的感官,如果把這些感官當成感測器,比起多人做感測器,自然感測器的優勢在於體積小、重量輕、功耗低、適用多變環境。

尤其聽覺方面,昆蟲的聽覺感測器經過多次進化,可發揮場景分析、交流功能,有高度多樣性,具體來看:

  • 形態上,耳朵可以是近場敏感的觸角,也可以是遠場敏感的鼓膜。
  • 功能上,可以是窄頻過濾器(蚊子),也可以是寬頻感測器(夜蛾)。
  • 神經處理上,可以只有一個神經元(夜蛾),也可以有數千個干預神經元(雄性蚊子耳朵有 15,000 個神經元)。

沙漠蝗蟲耳朵較敏感,涵蓋頻率範圍廣,可當成從神經系統讀取電生理訊息的好模型。

(Source:MDPI,下同)

研究團隊表示:

目前為止,還沒有哪項研究證明生物混合機器人平台(bio-hybrid robotic platform)能透過生物感測器回應聲音。機器人平台加入生物感測器,有兩方面優勢,一是可將行為、能力與特徵鮮明的自然蝗耳比較,二是可與純粹的技術設備(麥克風陣列)比較。

把蝗蟲耳朵「接上」機器人

論文顯示,研究團隊設計生物混合平台 Ear-Bot,整合沙漠蝗蟲的聽覺系統為輸入,與行動機器人平台連結。

簡單講就是打造蝗蟲耳朵晶片 Ear-Chip,當作機器人的聽覺感測器。團隊利用微生理系統(MPS,也稱晶片器官 OoC)的最新發展,也就是「人體器官晶片技術」。

人體器官晶片是新興尖端技術,指在載玻片大小晶片上構建器官生理微系統,包含活體細胞、組織界面、生物流體等器官微環境等關鍵要素,可在體外模擬人體組織器官的主要結構功能特徵及器官間聯繫。人體器官晶片技術背後是多學科彙整,曾在 2016 年列為十大新興技術之一。

Ear-Chip 設計能使蝗蟲耳朵長期活著,同時也保證能裝上行動小型機器人平台(如下圖 a 所示)。

研究團隊透過 SolidWorks CAD 軟體設計晶片,然後透過 3D 列印生物相容性牙科透明樹脂製作晶片,最終成功創造出持久的微型感測裝置。

研究團隊創建模組化組織支援和訊號分析自定義算法。Ear-Bot 還配備客製電極,可測量耳朵的生理反應訊號,並傳給機器人。如上圖 b 所示,機器人還整合處理訊號和運行不同演算法所需的所有電子設備(包括前置放大器、電路板等)。

除了客製晶片 Ear-Chip 和電極,機器人平台還包括一個訊號放大器、一個控制器和訊號處理器系統(CSPS)。

反應不同方向和距離的聲音

具體效果如何?實驗表明,Ear-Bot 對聲音的反應與使用麥克風為輸入的反應類似。

研究人員拍拍手,蝗蟲耳朵就會辨識聲音並轉為電訊號,並傳輸至機器人電生理測量系統、控制器和訊號處理系統。

Ear-Bot 系統更能於噪音背景下區分電機和拍手聲。也就是說,蝗蟲耳朵對各種頻率都較敏感,可對真實聲音有反應。如下圖所示,最佳反應在 3.5kHz ±2,對不同方向聲音的反應無顯著變化,且對距離 5~35 公分的聲音反應無差異。

可見 Ear-bot 能對不同方向和距離的聲音有反應。論文合著者之一 Ben M. Maoz 博士表示:

我們應當更深入挖掘、利用自然界的現象和規律,我們證明的原理其實還可用於其他感官,如氣味、視覺和觸覺。某些動物對發現爆炸物、毒品方面有驚人能力,或許我們可做出有生物鼻子的機器人。

自然往往領先科技。期待科學家以自然為靈感,帶來更多尖端科技發明。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:影片截圖)