硬科技报告:人脑可以适应“三头六臂”吗?

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你好,我是彭天放,欢迎来到6月份的《硬科技报告》。

现如今,人工智能似乎正在越来越多的领域超越人类,比如下棋、玩游戏这些智力活动,甚至是媒体、影视这些讲究创造力的行业。恐怕很多人这几年都有过自己的工作会不会被技术取代的焦虑。不过,可能很多人没有想到的是:在一个我们非常熟悉的领域,人类迄今为止,依然对最前沿的技术保持着相当大的优势——这个领域就是长在我们每个人身上的这双手。

可以说,人类使用双手这件事情的科技含量,可能远比我们想象得要多。在过去的一个月里,我就为你关注到这方面的两项进展。

1. 英国科学家探索人脑对机械手指的认知与适应方式

第一项进展,让我联想到了中国神话传说里的哪吒。

我们小时候都知道哪吒可以变成“三头六臂”,非常厉害。但是,不知道你有没有好奇过:从“一头两臂”变成“三头六臂”,哪吒的神经系统能够适应突然多出来的这些肢体吗?会不会出现运动不协调,甚至跟原来的手脚“打架”呢?

5月19号,来自英国伦敦学院大学学院的研究人员,就探索了一个简化版的“哪吒问题”,并且发表在了《科学·机器人》杂志上。在这篇论文里,研究人员虽然没有让人长出“三头六臂”,但是却让参加研究的志愿者的右手,拥有了一根额外的机器手指。这项研究发现,在经过简单的训练之后,志愿者们不仅完全适应了拥有六根手指的右手,可以用它来完成很多高难度的动作;甚至在志愿者大脑负责控制手部运动的区域,也产生了意想不到的变化。

我在文稿区放了一张这篇论文里的志愿者佩戴和使用辅助手指的照片。可以看出,辅助手指与原来的五根手指配合得非常自然。这只“强化”后的右手可以完成像是单手拧瓶盖、打扑克,甚至是用六根手指弹吉他这样的高难度动作。

听到这里,我想很多同学一定会好奇:志愿者能把辅助手指控制得这么灵活,是不是使用了什么黑科技,比如像是脑机接口什么的?

——其实,还真不是。在这项研究中,控制机械手指的方式非常简单:那就是用“脚”来控制。具体来说,研究人员给志愿者双脚的大拇指上分别安装了一组压力传感器。志愿者通过调整左右脚拇指和地面接触的力度变化,就分别可以控制机器手指上下和左右的运动。如果你现在刚好坐着,也可以尝试让脚的大拇指用不同力度扣地,感受一下这种控制方式。

尽管听起来有点笨拙,但这项研究中的志愿者们通过持续5天,每天大概4个小时的刻意训练,就迅速适应了这根多出来的手指,并且完成了刚刚提到的各种复杂的动作。甚至,为了进一步确认对机械手指使用的熟练程度,志愿者还被要求完成像是一边做数学题一边搭积木、蒙着眼睛做各种手势等等高难度动作。这些任务不出意外地也都顺利被完成了。志愿者们表示:他们在熟练使用机器手指之后,几乎不需要刻意思考,感觉机器手指就是身体的一部分。

说到这里,我想很多同学一定会有一个好奇:机器手指哪怕再灵活,可它毕竟不是肉长的。志愿者口中所说的这种,把机器手指当作身体的一部分这种感觉,究竟是一种夸张的修辞,还是人的大脑真的把机械手指当成“亲生骨肉”了呢?

其实,我们的这个好奇,也恰恰是研究人员最关注的问题。用专业术语来说,这叫所谓的“具身性认知”(Embodied Cognition)问题。弄清楚这个问题,对我们理解大脑和身体的关系有很大的帮助。但是,这样一个上升到心理学乃至哲学层面的研究问题,要想找到客观的证据,可想而知是比较困难的。

为了弄清楚人脑究竟是如何“看待”机器手指的,研究人员想到了一个间接的观测手段。他们对志愿者的大脑进行了功能性核磁共振扫描等等一系列的分析。结果发现,经过5天的适应训练之后,志愿者们大脑中负责手部运动的区域,确实产生了一些轻微,但是明确的变化。

具体来说,研究人员在志愿者学习使用机械手指的前后的不同时间点,采集了所有人单独移动每根手指时候的大脑核磁共振扫描数据。结果发现,佩戴机器手指的右手在经过适应训练之后,原本五根手指在大脑中对应的运动信号的数据变得更加相似了;与此同时,脚趾与手指的运动信号也变得更加相似。而当志愿者不再使用机械手指之后一个星期,这种脑部信号的变化又消失了。

你可能听出来了,上面这些数据变化,主要都停留在现象描述层面。其实,这也是如今很多脑科学问题研究的一个局限:由于目前对大脑的认识有限,这些测量到的数据很难有进一步更具体的解释。

但是,研究人员表示他们至少可以由此得出一个结论,那就是人脑中原本关于手指和脚趾的运动控制区域,确实因为机械手指的加入,产生了与之相适应的一些变化。甚至我们有理由猜测,志愿者的大脑可能已经在某种程度上把机械手指当作身体的一部分去适应。

说到这里,可能有些同学还会好奇了。弄清楚大脑是怎么看待机械手指这个问题,有什么用呢?其实这个问题的背后是一类想象空间巨大的技术——那就是所谓“人体增强技术”,也就是像我们一开始提到的“哪吒”那样,给人体装上功能更强大的“三头六臂”的一类技术。事实上,今天给残疾人用的辅助假肢,以及一些军用外骨骼设备上已经用到了类似的技术。

未来,随着各类智能机械的发展,人类身体上原生的手脚,就有可能会如同这篇论文里志愿者的脚趾一样,会逐渐变成操作这些“三头六臂”的媒介。而人的血肉之躯,究竟能不能快速适应科技带来的附加能力,就是这篇研究真正想要探索的问题。

幸运的是,从这项研究中我们可以看出,人脑似乎是一个超乎想象的开放式系统。即便是大脑发育完全的成年人,也可以能够通过短时间的训练,在大脑结构上作出调整,以适应全新的“身体部件”。

甚至,人的大脑似乎并不太在意自己操控的究竟是“原装”的手指,还是事后安装的机械手指。也许,只要经过足够长时间的训练和适应,我们的大脑就会“心安理得”地把这些后来者也接纳为身体的一部分。说到这里,我其实有点担心这两年我的大脑会不会把手机也当成是我身上的一个器官了。

通过这项研究还可以发现,人的自我认知,已经不只是一个心理学或者哲学问题了。一些前沿技术,已经开始要求我们对这些问题有更明确的答案。

2. 科学家受折纸启发发明新的机械手结构

我为你推荐的第二项进展,是一种机械手的全新设计思路。以往谈到机械,我们总会有一种冰冷生硬的感觉。但是上个月的一项研究,却可能改变我们的这种传统印象。

5月12号,《科学·机器人》杂志的封面刊登了一篇来自美国波士顿大学的研究成果。研究人员受到中国剪纸工艺的启发,设计了一种通过一张薄薄的塑料片就可以批量加工的,既简单又灵巧的机械手结构,可以轻松完成像是对螺丝钉、玻璃珠、草莓等等各种常见物品的抓取任务。

我在文稿区放了一张研究人员用这种柔性机械手抓东西的照片。可以看出,这种机械手的制作和使用超乎想象地简单。具体来说,研究人员在一张近似正方形的塑料片上,像剪纸一样划拉出四道平行缺口。然后在塑料片的对角线上轻轻用力一拽,塑料片的另外两个对角就会相互靠拢,起到抓起物品的效果。如果你身边碰巧有剪刀和打印纸,估计用2分钟也能做一个类似的柔性机械手出来。

(图片省略)

听到这里你可能会有一个疑问。今天的各种机械臂感觉都这么先进了,为什么研究人员反而要研究这种简单的平面剪纸工艺呢?

——其实,这里就涉及当前机械手臂技术面临的一个重要挑战了。那就是,尽管如今机械手臂已经大量应用在工业里,但是在工厂之外的灵活多变环境里,有几类物品的抓取,依然是十分困难的。这里面包括:柔软的、易碎的,以及表面光滑的物品等等。对这些物品的抓取,到目前为止还是人手最为擅长。

为了解决这个难题,科学家们这些年其实提出了各种各样的方案。比如有人设计了模仿章鱼触手的仿生结构,有人用摄像头搭配人工智能观察被抓取物品的实时状态,还有人甚至在机械手上嵌入了具有触觉的皮肤。这些方案可以说各有各的优势,但是它们大多都有一个缺点:那就是它们普遍的成本都比较高。如果最终做成成熟产品的话,恐怕没有几千块钱是买不下来的。

而这一次研究人员开发的这种,受剪纸工艺启发的机械手结构,就很好地解决了这个问题。从上面的描述中你也能听出来,这种柔性结构,完全可以直接从一张塑料片上,通过模具批量切割出来。事实上,在这篇论文里,研究人员用来加工这种机械手的,正是工业中最常用的一种叫做PET的工程塑料。如果单独就机械手结构这部分的成本来说,恐怕连一分钱都不到。

除了成本低之外,这种机械手其他方面的优点也非常突出。比如说,它对于不同类型物品抓取的适应性,就非常出色。在论文中,我们看到这种柔性机械手成功抓住了很多对人而言都得费点劲的东西,比如像是小药片,甚至是一粒沙子。这种适应性,其实也得益于基于剪纸的柔性结构。

听到这里,有些同学可能会问了。这剪纸都出现了上千年了,既然这种工艺造出来的机械手优点这么多,为什么人们早没发现呢?

——其实,在我看来,这项研究尽管看起来非常简单,符合人们的一般直觉;但是其中蕴含的深层技术也是最近几年才引起人们关注的。这是因为,作为工程师,把一个直觉性的想法变成真正的技术样机,这中间迈过最重要的一步,就是对整个过程的数学描述能力。

具体来说,就是如果我们真的造出来一个特定尺寸的结构,那它的抓取力究竟是多大?整个系统从控制角度来看的数学特性是怎样的?如果稍微换一个设计,系统性能是提高还是降低?诸如此类的这些问题,如果工程师们都可以用数学工具比较好地回答了,那才可以把剪纸玩具,变成真正意义上的工程产品。

而很多人可能不清楚的是,从力学的角度来看,像是剪纸这种柔性、大变形,而且还是镂空的几何结构,它的运动规律的计算是非常困难的。这里面涉及的数学问题的困难程度,甚至超过了我们身边大部分像是高楼大厦、汽车轮船里面很多力学问题的计算难度。从这个角度来看,这项研究确实是不折不扣的一项前沿技术。

不知道沿着这个思路下去,未来会不会有更多奇妙的柔性折叠机械结构走进人们的视野,甚至诞生出一门专门研究二维柔性机械结构的学科。

最后,这项研究让我想到了怀特海的一句名言,这句话是这么说的:“非常接近真理和真正懂得真理的意义,是两回事。每一个重要的理论,都被真正发现它之前的人提到过”。

对剪纸这种古老的结构,我相信人类至今还有很多无法精确理解的地方。对它的深入研究,很可能会在未来帮助人类挖掘出更大的价值。

本期的《硬科技报告》就到这里,我是彭天放,我们下一期再见!

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