麻省理工学院的研究人员设计了一种带有尖锐尖端和触觉传感器的机械手指，旨在解决识别埋藏物体的难题。在实验中，这款名为“挖掘手指”（Digger Finger）的机械手指能够挖掘沙子和大米等颗粒状介质，并能准确识别遇到的水下物体的形状。研究人员表示，这款机器人未来有望执行各种地下作业，例如定位埋藏的电缆或拆除埋藏的炸弹。.

这项研究将在即将举行的国际实验机器人学研讨会上发表。该研究的第一作者是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的博士后研究员拉德亨·帕特尔（Radhen Patel）。合作作者包括CSAIL博士生布兰登·罗梅罗（Branden Romero）、哈佛大学博士生南希·欧阳（Nancy Ouyang）以及CSAIL和认知与脑科学系的约翰和多萝西·威尔逊视觉科学教授爱德华·阿德尔森（Edward Adelson）。.

搜寻埋藏在沙粒、砾石和其他松散颗粒中的物体并非新鲜事。此前，研究人员曾使用过从上方探测地下物体的技术，例如探地雷达或超声波振动。但这些技术只能提供模糊的水下物体图像。例如，它们难以区分岩石和骨骼。.

“所以我们的想法是制造一个触觉灵敏、能够区分不同触感的手指，”阿德尔森说。“例如，如果用来寻找和拆除埋藏的炸弹，这将非常有用。” 将这个想法变为现实，需要克服诸多障碍。.

该团队面临的第一个挑战是外形上的：机械手指必须纤细且尖端锋利。.

在之前的研究中，研究人员使用了一种名为GelSight的触摸传感器。该传感器由一层透明凝胶构成，凝胶表面涂覆有一层反射膜，当物体按压时，反射膜会发生形变。反射膜后方装有三种颜色的LED灯和一个摄像头。灯光穿过凝胶照射到反射膜上，摄像头则捕捉反射膜的反射图案。然后，计算机视觉算法提取出手指触摸物体时接触区域的三维形状。该设备提供了极佳的人工触觉体验，但体积较大，佩戴起来不太舒适。.

为了研发“挖掘指”（Digger Finger），研究人员主要通过两种方式缩小了GelSight传感器的尺寸。首先，他们将其形状改为带有斜面尖端的细长圆柱体。然后，他们移除了三分之二的LED，并采用了蓝色LED和彩色荧光涂料的组合。“这大大简化了电路，节省了空间，”欧阳说道，“使我们能够将其做得如此紧凑。”最终产品是一款触觉感应膜面积约为2平方厘米的设备，与指尖大小相仿。.

尺寸问题解决后，研究人员将重点放在运动性能上，他们将手指安装在机械臂上，并测试其在细沙和粗米中的挖掘能力。颗粒状介质容易堵塞，大量颗粒滞留在其中，阻碍穿透。因此，研究团队为挖掘手指增加了振动功能，并对其进行了一系列测试。.

帕特尔说：“我们想看看机械振动如何帮助挖掘更深、突破堵塞。我们让振动电机在不同的运行电压下工作，这样就能改变振动的振幅和频率。”他们发现，快速振动有助于“流化”介质，清除堵塞物，从而实现更深的挖掘，尽管这种流化效果在沙子中比在稻米中更难实现。.

他们还测试了在米粒和沙子上进行的各种扭转动作。有时，这两种介质的颗粒会卡在挖掘手指的触觉膜和它试图探测的埋藏物体之间。当这种情况发生在米粒上时，卡住的米粒足够大，可以完全遮蔽物体的形状，不过通常可以通过轻微的机械运动清除。卡住的沙子更难清除，但由于沙粒很小，挖掘手指仍然可以探测到物体的大致轮廓。.

帕特尔表示，操作人员需要根据介质类型、颗粒大小和形状等因素，调整挖掘指的运动模式以适应不同的作业环境。团队计划继续探索新的运动方式，以优化挖掘指在各种介质中的作业能力。.


阿德尔森表示，“挖掘指”是拓展机器人触觉应用领域项目的一部分。人类在复杂的环境中会使用手指，例如在裤兜里寻找钥匙，或在手术中触摸肿瘤。“随着人工触觉技术的进步，我们希望能够在各种干扰信息充斥的环境中使用它，”阿德尔森说，“我们希望能够区分哪些信息重要，哪些信息不重要。”.

这项研究的部分资金来自丰田研究院（通过丰田-CSAIL联合研究中心）、美国海军研究办公室和挪威研究理事会。.