赋予完整手指

米开朗基罗于1511年至1512年在西斯廷礼拜堂上绘制的“创造亚当”，这是人类史上最著名的壁画之一，每个人对其有着不同的关注和理解。我最关注的就是“神与人即将触碰的手指”，一个技术男的理解是“造物主在验收他最精美作品最重要的一项功能——指尖触觉”。触碰的一刹那，人类将被赐予接近神和感受世界的最深刻方式——触觉。这种触碰的感觉，即使在现今世界仍不能进行完整的科学描述。

人类的“触觉”由两个主要亚模式组成，即皮肤触觉和动觉，以感觉输入部位为特征。指尖触觉属于皮肤触觉，主要指通过大量不同刺激的受体处理外部刺激的时空感知，例如压力/振动的机械感受器、温度的热感受器和疼痛损伤的伤害感受器，这些感受器以不同的密度分布在全身，据估计，成人每个区域的机械感受器数量在指尖为241个，手掌为58个。这种受体器官被称为梅斯纳小体（梅氏小体，Meissner corpuscle），科学家发现梅氏小体末端器官中USH2A（一种具有极大胞外域的跨膜蛋白）的缺失降低了机械感受器的敏感性以及振动知觉。

手指是人类器官中同时具备执行器和传感器的最好器官。执行器方面，以肩为原点到1个手指尖有11个自由度；传感器方面，有着241个机械感受体及其他各种触觉感受体。可以说造物主赐予了人类最完美的手指。而人类在发展的过程中，也想创造出完美的手指，并赐予自己的机器人，并最终完成手指触碰的瞬间。这是所有机器人工程师的梦想。

但是目前为止，人类已经可以制造出11自由度以上的指尖，并且可以通过6维力传感器赋予了几个大关节的动感。手指的执行器与传感器相比，已经走远很多。对于传感器，像机械触觉方面，人类只有少数的科研成果，并且其他几种触觉传感研究更少。人类在制造完美手指之前，先要制造出完整手指，完整手指至少需要具备以下三点。

第一，手指在具备“执行”能力必须同时具备“感知”能力。可以先以人类为说明，有这样的一个实验：先麻醉一组志愿者手上的皮肤，然后观察他们的行为，发现即使他们能看到自己在做什么，也很难保持对物体的稳定抓握。当“触觉”丧失时，动作变得不准确和不稳定。在机械臂上也得到类似的验证，没有触觉的机械臂很难做出自适应的动作。

第二，传感器和执行器必须具有高度的空间重合性，需要同时接触到操控物体。曾经人们在机械臂的腕部增加摄像头，让机器人意识到环境空间，这样减少与人的碰撞，从而增加了人机交互的安全性。但是对于精细动作，例如，手指深入孔洞内，出现了遮挡，视觉将失效。这样的任务只能通过触觉完成，所以这必然要求机械手指的执行器和传感器在空间上完全重合。

第三，其性能要超过人类的能力。例如，人类手指的空间敏锐度为3mm（可以区分出空间距离3mm的2个不同点）、人类躯干的空间灵敏度为20-30mm。现有大部分的触觉传感器只能做到10-30mm的空间灵敏度，而最新技术的触觉传感器可以做到 0.1mm的空间灵敏度。另外完整手指在力学性能指标上也需要超过人类的能力，需要有精细的近端的应力场分布结果，而不是简单的远端的6维力。

当具备了以上三点，可以称人类创造出完整手指。医生配备了完整手指，可以用它通过遥操作技术做出高超手术，手术中每个细微的反力都及时的传递给医生，使其做出最正确的治疗；护士拥有了完整手指，可以用它替代核酸采集工作，每一次对咽腭部位轻柔的触碰，都由高灵敏的位置信息进行把控；工程师操控着完整手指，在运动与感受的平衡中完成每一项精细而准确的工作、建造着美好世界。

每一位劳动者都希望使用灵巧的机械臂，而每一个机械臂都在期盼着被赋予完整手指。

写在松果体末端触觉感知产品FINGER发布时刻。

作者简介：
刘维甫 松果体机器人首席科学家
北大理学博士，科技部重点研发课题负责人，北京市科技奖获得者，动捕、视觉、VR专家。