智能機(jī)器手的材料與工作原理圖解。朱榮/供圖

■本報(bào)記者 張雙虎

近日，國家發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，明確統(tǒng)籌推進(jìn)“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施建設(shè)工作，加快建立分類投放、分類收集、分類運(yùn)輸、分類處理的生活垃圾處理系統(tǒng)；并提出到 2025 年底，全國城市生活垃圾資源化利用率達(dá)到60%左右。

盡管近年來我國生活垃圾分類和處理方面成績可圈可點(diǎn)，但在部分城市和社區(qū)，垃圾分類仍是一個(gè)棘手的難題。

日前，清華大學(xué)精密儀器系教授朱榮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一種多功能感知觸覺傳感器。它采用類皮膚的多層結(jié)構(gòu)，將多模感知原位集成，實(shí)現(xiàn)對觸感、物感、溫感等多種感知的高密度集成，將觸覺傳感器應(yīng)用于機(jī)器手抓握感知，實(shí)現(xiàn)了對物品的形狀、大小和材料等多屬性識(shí)別，并成功應(yīng)用于垃圾分類。

垃圾分揀，也許是時(shí)候讓人類“躺平”，請機(jī)器人出手了。

分揀難題

截至去年底，我國首批開展垃圾分類先行先試的46個(gè)重點(diǎn)城市中，生活垃圾分類小區(qū)覆蓋率已達(dá)86.6%，生活垃圾平均回收利用率為30.4%，廚余垃圾處理能力從2019年的每天3.47萬噸提升到2020年年底的每天6.28萬噸。

中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)環(huán)保聯(lián)盟理事長、住建部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)委員張益在肯定我國垃圾分類初步成績的同時(shí)，也表達(dá)了目前垃圾分類工作地區(qū)差異較大的看法?！俺?6個(gè)重點(diǎn)城市外，多數(shù)地級(jí)城市和縣城生活垃圾分類收運(yùn)設(shè)施有待建立。當(dāng)前源頭分類、撤桶并點(diǎn)難度大，各地還需提高重視程度?！?/p>

幾天前，北京市豐臺(tái)區(qū)介紹了垃圾分類示范小區(qū)（村）的“城市微環(huán)境”治理模式，稱“小區(qū)居民全員參與垃圾分類，投放準(zhǔn)確率達(dá)90%，桶前值守率達(dá)100%”。

90%的準(zhǔn)確投放率，依靠的是100%的桶前值守率。也就是說，城市居民在投放垃圾時(shí)，還離不開監(jiān)督人員。實(shí)際上，因?yàn)椴糠秩朔诸愐庾R(shí)或分類知識(shí)的欠缺，不少社區(qū)會(huì)在垃圾桶前安排督導(dǎo)員進(jìn)行投放指導(dǎo)。部分小區(qū)因源頭分類難以推行，干脆配備專人值守垃圾桶前，對居民堆放的垃圾進(jìn)行破袋和二次分揀。

垃圾分揀對人來說是意識(shí)或知識(shí)問題，而對于機(jī)器人來說則是需要突破的難點(diǎn)。

機(jī)器人分揀靠“摸”

“如何快速、準(zhǔn)確識(shí)別出物體，并完成分選是機(jī)器人識(shí)別分類的難點(diǎn)。”朱榮告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“人類分揀物體首先依靠視覺鑒別，然后用手完成分選。既然分選需要通過抓握來完成，在抓握過程中，利用觸覺進(jìn)行分類，就可以減少機(jī)器人對視覺的要求，在抓握（接觸物體）的同時(shí)，進(jìn)行鑒別和分選動(dòng)作。利用觸覺感知，還可以在不具備視覺觀察的場景中進(jìn)行物體識(shí)別，比如火場搜救?！?/p>

朱榮介紹說，柔性電子感知，具有對周圍環(huán)境和作用的感知能力，還能針對不同生理參數(shù)作出反應(yīng)，可用于穿戴式生理監(jiān)測，服務(wù)于醫(yī)療健康。柔性感知也是智能機(jī)器人交互的關(guān)鍵，在機(jī)器人非視覺傳感技術(shù)領(lǐng)域有著十分重要的作用。但目前柔性感知傳感器和系統(tǒng)仍然存在技術(shù)瓶頸，實(shí)際應(yīng)用面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

針對以上問題，朱榮團(tuán)隊(duì)提出一種基于熱感應(yīng)的多維傳感新機(jī)理，利用熱敏膜和外界的傳導(dǎo)/對流換熱對自身電阻的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了壓力、溫度、流場、熱物性等參數(shù)的集成測量。由于采用簡單的薄膜敏感結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的熱敏檢測原理，這種柔性電子器件具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、低交叉耦合、易調(diào)控、成本低等特點(diǎn)。

面向智能機(jī)器人對觸覺感知的應(yīng)用需求，該團(tuán)隊(duì)又研制出一種將壓力、材料熱導(dǎo)率、物體溫度和環(huán)境溫度四重感知原位集成的觸覺傳感器，并將觸覺傳感器應(yīng)用于機(jī)器人手感知系統(tǒng)，利用深度學(xué)習(xí)方法將感知轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人對物品的認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)了對抓握物品形狀、大小、溫度和材質(zhì)等多屬性的高精準(zhǔn)識(shí)別。

“不同物體有不同的機(jī)械和熱學(xué)的特性，利用觸覺傳感器檢測物體的這些屬性，可以有效識(shí)別出不同物體?！敝鞓s說，“該傳感器可將壓力感知與熱物性等多模信息進(jìn)行融合，從而大幅提高物品識(shí)別準(zhǔn)確率，從基于單模壓力感知的69%識(shí)別率提高到基于多模感知的96%?！?/p>

人手有能力通過皮膚中的熱感受器和機(jī)械感受器，來識(shí)別不同大小、形狀和材料的物體。受此啟發(fā)，朱榮團(tuán)隊(duì)分析了機(jī)器手抓取物體時(shí)最常接觸的位置，在機(jī)器手的 5 個(gè)指尖和手掌上，安裝了 10 個(gè)傳感器，來檢測物體的溫度、環(huán)境溫度、被測物體的導(dǎo)熱率和接觸壓力等信息。

朱榮團(tuán)隊(duì)以塑料袋、泡沫、紙箱、罐頭盒、餐巾紙、面包、橙皮等7種垃圾作為實(shí)驗(yàn)對象，用7種垃圾的數(shù)據(jù)集去訓(xùn)練機(jī)器手。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)合多模觸覺感知信息和機(jī)器學(xué)習(xí)之后，機(jī)器手識(shí)別7種垃圾的總分類準(zhǔn)確率達(dá)到 94%左右。該研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)—機(jī)器人》。

通過垃圾練“手”

生活垃圾來源廣、成分復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)濕漉漉、臟兮兮的狀態(tài)，因此傳統(tǒng)的分選、篩選技術(shù)無能為力。

同樣是機(jī)器人垃圾分揀領(lǐng)域，上海交通大學(xué)中英國際低碳學(xué)院固體廢棄物資源化技術(shù)與智能裝備團(tuán)隊(duì)研發(fā)出超視覺垃圾分揀機(jī)器人，通過機(jī)器視覺中的三種主流識(shí)別傳感系統(tǒng)（CCD視覺、激光視覺、近紅外視覺）相耦合，綜合判斷目標(biāo)物的外部特征（顏色、形狀、紋理等）與內(nèi)部特征（材質(zhì)），達(dá)到垃圾的精準(zhǔn)定位與細(xì)分判別。然后利用free-model的超視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各品類、各形狀、各表面材料的樣品識(shí)別。

“超視覺垃圾分揀機(jī)器人有效分揀率可達(dá)95%，最高分揀速度5400次/小時(shí)。生產(chǎn)線上每套設(shè)備布置2個(gè)機(jī)械手，相當(dāng)于替代了54個(gè)分揀工人的工作量?！背曈X垃圾分揀機(jī)器人項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)中英國際低碳學(xué)院副教授李佳介紹說。

垃圾分類工作量大、過程簡單重復(fù)。人工分揀不但面臨氣味刺鼻、工作環(huán)境差等問題，還存在有害物質(zhì)傷害人體健康的可能。同時(shí)，垃圾分類的目標(biāo)之一是分揀出可回收利用物品，減少其他垃圾量。“垃圾分類在任何國家都不是一蹴而就的事，既要做好‘打持久戰(zhàn)’的準(zhǔn)備，也要采取科學(xué)、系統(tǒng)和綜合的措施，重點(diǎn)突破自家垃圾桶到公共垃圾箱的分類投放環(huán)節(jié)，徹底解決分類投放、收集、運(yùn)輸、處理全過程的系統(tǒng)運(yùn)營難點(diǎn)?！鼻迦A大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授溫宗國說。

實(shí)際生活中，可回收利用的垃圾種類有限，因此，機(jī)器人分揀垃圾大有可為?！爸皇菣C(jī)器人識(shí)別需要通過大量的樣本學(xué)習(xí)，其難度在于，如何將生活中的各式各樣物品收集到，作為樣本讓機(jī)器學(xué)習(xí)。如果將這些臟兮兮的物體作為實(shí)驗(yàn)樣本讓機(jī)器人學(xué)習(xí)，那么這些垃圾就能夠被識(shí)別。”朱榮說，“當(dāng)然，將視覺和觸覺相結(jié)合是提高機(jī)器識(shí)別有效性和準(zhǔn)確率的優(yōu)選方案?！?/p>

相關(guān)論文信息：

http://doi.org/10.1126/scirobotics.abc8134