惊叹！机器人竟能靠声波振动感知物体

想象一下，当你坐在昏暗的电影院中，心里琢磨着超大杯里的汽水还剩多少。

你没有揭开盖子去查看，而是拿起杯子轻轻晃了晃，听听里面冰块晃动的声响，这就能让你大致清楚是否需要免费续杯。

把饮料放回原位，你漫不经心地想着扶手是不是实木做的。

然而，敲了几下，听到空洞的回声后，你就断定它肯定是塑料做的。

这种依靠物体发出的声波振动来解读世界的能力，是我们想都不想就会去做的事情。

将于 11 月 6 日至 9 日在德国慕尼黑举行的机器人学习会议（CoRL 2024）上进行展示，杜克大学的一项新研究详细介绍了一个叫做 SonicSense 的系统，这个系统能让机器人以之前只限于人类的方式与周围环境进行互动。研究结果发布在arXiv预印本服务器上。

如今，机器人大多依靠视觉来解读世界，”该论文的主要作者、杜克大学机械工程与材料科学教授博渊·陈实验室的一年级博士生刘佳勋解释说。“我们希望创造一种解决方案，能够处理日常中复杂多样的物体，赋予机器人更丰富的‘感受’和理解世界的能力。”

SonicSense 配有一只带有四根手指的机械手，每根手指的指尖都嵌入了一个接触式麦克风。这些传感器能够检测并记录机器人轻敲、抓取或摇晃物体时产生的振动。而且因为麦克风与物体接触，所以机器人能够排除环境噪音。

基于这些交互和检测到的信号，SonicSense 提取频率特征，并且利用它先前的知识，结合人工智能的最新进展，搞清楚物体是由什么材料制成的以及其 3D 形状。如果是系统从未见过的物体，可能需要 20 种不同的交互才能得出结论。但如果是数据库中已有的物体，它可以在短短四次交互中正确识别。

“SonicSense 为机器人提供了一种新的听觉和感知方式，非常类似于人类，这可以改变当前机器人感知和与物体互动的方式，”陈说道，他还在电气与计算机工程以及计算机科学领域任职并带有学生。“虽然视觉至关重要，但声音增加了可以揭示眼睛可能错过的事物的信息层。”

在论文和演示中，陈和他的实验室展示了 SonicSense 所实现的许多功能。通过转动或摇晃装满骰子的盒子，它能够计算出里面骰子的数量以及它们的形状。通过对一瓶水做同样的操作，它可以判断里面有多少液体。并且通过在物体外部敲击，就如同人类在黑暗中探索物体一般，它能够构建物体形状的 3D 重建，并确定其由何种材料制成。

虽然 SonicSense 并非首次尝试运用这种方法，但是它比以往的工作更进一步，表现更佳，通过使用四个手指而不是一个手指、能够消除环境噪音的触摸式麦克风和先进的人工智能技术。这种设置使该系统能够识别由多种材料组成、具有复杂几何形状、透明或反射表面以及对于基于视觉的系统具有挑战性的材料的物体。

“虽然大多数数据集是在受控的实验室环境中收集的，或者有人为干预，但我们需要我们的机器人在开放的实验室环境中独立与物体互动，”刘说。“在模拟中要复制这种复杂程度是很困难的。”

“受控数据和现实世界数据之间的这种差距极为关键，而 SonicSense 能够让机器人直接与物理世界中多样且混乱的现实进行交互，从而弥合了这一差距。”

“这些能力使 SonicSense 成为训练机器人在动态、非结构化环境中感知物体的坚实基础。其成本也是如此。通过使用音乐家用于从吉他录制声音的相同接触式麦克风、3D 打印以及其他市售组件，构建成本保持在略高于 200 美元。”

“展望未来，该团队正在努力提升系统与多个物体交互的能力。通过集成对象跟踪算法，机器人将能够应对动态、杂乱的环境，从而让它们在现实任务中更接近人类般的适应能力。”

另一项关键的发展在于机器人手自身的设计。“这只是个开始。未来，我们设想 SonicSense 能够被应用于具备灵巧操作技能的更先进的机器人手中，让机器人能够完成需要细微触觉感知的任务，”陈说。“我们满怀兴奋地探索如何进一步开发这项技术，以整合多种诸如压力和温度之类的感觉模式，实现更复杂的交互。”