瞭望 | 用一束光觸控世界：之江實驗室如何有組織地科研

“攻克‘卡脖子’技術需要大兵團式的科研攻關。”之江實驗室主任朱世強說，“單打獨鬥”和“包打天下”全譜系創新的科研模式已不適應多學科交叉、投入強度大、目標宏大的大科學時代

文 |《瞭望》新聞週刊記者 朱涵

在之江實驗室觸覺感知團隊實驗室，《瞭望》新聞週刊記者見證了一束光的力量：一隻機械手將鑰匙插入鎖口，向右旋轉90度，輕輕向後帶出櫃門，開啟保險櫃，一套動作行雲流水。機械手的“感覺”，主要依靠“光學面板”。這束光的背後，是微納光纖為核心元件研製的高靈敏度的觸覺感測器。

感而致知，而後致智。觸覺是人認識並理解世界的重要手段。對人工智慧而言，誰能研製出能夠捕捉極為微弱的壓力、超越人體觸覺感知極限的高效能觸覺感測器，就有望在智慧機器人等前沿研究領域拔得頭籌。

在新型研發機構之江實驗室，以國家戰略需求為導向，科研人員以大兵團式的科研攻關，在世界科研競爭前沿與頂尖實驗室同臺競技。在觸覺感知領域，以微納光纖為人工神經，研製高靈敏度的觸覺感測器，讓團隊初嘗領先滋味。

　　大兵團式科研攻關

“機械手在開鎖時，能夠感覺到鑰匙所受到的阻力，因此能夠自主採用合適的力度來完成任務。”之江實驗室類人感知研究中心副研究員肖建亮說。

觸覺感知是“五感”感知的重要一環，對實現由“感”到“知”的跨越至關重要。人們很早就意識到觸覺的重要。《易傳》有“寒暑相推而歲成也”，並在冷熱感知之上建立起樸素的時間觀。

感知然後執行，具備了這兩種能力，機器人就能更好地實現類人、仿生智慧。大資料是人工智慧的基礎，感測技術是獲取資料的關鍵，也是我國的技術瓶頸所在。

當前科研正規化之下，“攻克‘卡脖子’技術需要大兵團式的科研攻關。”之江實驗室主任朱世強說，“單打獨鬥”和“包打天下”全譜系創新的科研模式已不適應多學科交叉、投入強度大、目標宏大的大科學時代。

在“高原造峰”的原則下，之江實驗室從國內外集聚了一支頂尖科研團隊，在重大任務策劃委員會的指導下，挖掘佈局了一批具有原創性引領性戰略性的科研專案。成立5年來，之江實驗室聚集近4000名研究人員，高密度承擔國家戰略科技任務。

智慧感知是之江實驗室確立的主要研究方向之一。尋找機械手的“感覺”成為觸覺感知團隊的共同目標。

從生物學上看，人類的觸覺來源於面板，面板中的各種觸覺感受器對不同的外界刺激產生響應，各種刺激訊號經過神經的傳遞，在大腦中進行融合，實現觸覺感知。

目前，電子面板、仿生面板、資料手套等觸覺感測相關領域的研究在蓬勃發展，基於電學原理的電子面板觸覺感測器研究取得了很大成功，但電子面板在使用過程中面臨電磁干擾、響應時間、使用壽命和大面積整合等諸多挑戰。

針對這些痛點，之江實驗室觸覺感知團隊另闢蹊徑，以微納光纖為人工神經，打造高效能觸覺感測器。微納光纖是一種直徑在微納尺度的光纖，粗細相當於頭髮的幾十分之一，是一種直徑接近或小於傳輸光波長的介質。2003年，浙江大學童利民教授在《自然》雜誌發表論文，首次介紹了微納光纖的製備方法和光學傳輸特性之後，微納光纖成為光學領域的研究前沿之一，被譽為“下一代光纖”。

之江實驗室類人感知研究中心觸覺感知團隊長期跟蹤這一研究領域的前沿變化，負責人張磊教授介紹，微納光纖外圍的強倏逝場對於外界刺激非常敏感，在製備新型觸覺感測器時具有突出優勢。

這讓蹊徑不孤。

之江實驗室的研究人員操作機械手藉助觸覺反饋穩定抓取易變形常見物品（2022年2月17日攝）  周立超攝

　　“鼓勵自由探索，但不能信馬由韁”

蹊徑不孤的背後，之江實驗室這所政府、高校、企業三方共建，混合所有制事業單位性質的新型研發機構，讓科研人員充分體會到了新型科研組織模式的優勢。

“鼓勵自由探索，但不能‘信馬由韁’。在之江實驗室，我體會到什麼是‘有組織’地做科研。”肖建亮說。

實驗室根據專案需要進行人員組合，以觸覺感知團隊為例，這個團隊平均年齡30歲左右，有20名科研人員，其中全職的13人，其餘為雙聘人員。光電、材料、力學、計算機、電子、生物醫學工程等不同學科背景的成員，為同一個目標聚集在一起。

為了不同背景能夠組合在一起，之江實驗室打破傳統科研模式中不利於交叉創新的環節，制定160餘項新制度。比如，鼓勵多學科交叉會聚與多技術融合創新，在職稱評審、職級晉升等制度中，不強調論文指標，更看重科研人員的實際貢獻。又如，針對提倡團隊合作，在考核制度上做了相應的創新性設計，在重大專案考核中，對骨幹成員與團隊負責人，幾乎是一樣的權重，激發團隊成員密切合作。“我們的成果能夠直接用到機器人中心的專案上進行驗證，智慧計算團隊的支援則幫助我們迅速解決了演算法問題。”肖建亮說。

目前，觸覺感知團隊已研發出一系列極限條件下觸覺感知與微觀尺度下精密制動的系統和器件。

“微納光纖感測器能夠感受到極為微弱的變化。比如一粒花粉的落下、一段悠揚的音樂，或者是人體無法分辨的0。01攝氏度的溫度變化，都會造成封裝在柔性薄膜中微納光纖輸出光譜的顯著改變。”張磊說。

實驗室裡，機器手掠過裝滿了咖啡的一次性杯子的上方，就能“識別”冷熱。杯子柔軟易變形，機器人藉助微納光纖的力感測控制抓力，杯子能被穩穩抓起，咖啡則不會溢位。

“觸覺讓我們敏銳感知外界壓力、溫度等環境因素的微小變動，得以安全、高效地應對環境變化。”張磊說。

在一些領域，微納光纖感測器已能超越人類極限，比如夠感受到一束光的照射。1619年，著名天文學家開普勒提出了假設：彗星尾部所指的方向總是背離太陽，或許是因為受到了太陽光的“吹拂力”。之後，科學家從理論和實踐中，證實了這一點，並測出光壓的大小。

這意味著感測器能夠測試10的負12次方牛頓的力。對人類的感受而言，這樣的力實在是微乎其微。對人工智慧而言，擁有超越人類極限的能力，則意味著能夠勝任更多更復雜的任務。

　　大膽佈局新賽道科研專案

“在之江實驗室能夠快速組織團隊，可以自主設立課題，但在這裡做事也很難，因為必須要拿出看得見、摸得著的乾貨來。”張磊說。

一批大膽佈局新賽道的科研專案正在按計劃推進，觸覺感知團隊也在實現更多科學暢想：

比如，基於微納光纖的感知原理，觸覺感測器可以貼在面板上監測生理指標，還能與手套整合，感知手部關節的運動，實現對機械手的遠端精準操控；

在智慧醫療領域，微納光纖觸覺感測器提供輕量、便捷、無感的指標測量服務，最佳化脈搏、呼吸率和體溫等生理指標的測量體驗；

在家政服務領域，擁有這款類人面板的機器人，以敏銳的觸覺感知為基礎，為老人和小孩提供更安全的呵護。

分子層面的觸覺研究已經取得突破，但是類人觸覺感知與高保真觸覺再現技術仍然面臨很多難題與挑戰。

“我們希望構建自然人、數字人與機器人的觸覺資訊通道。”張磊說，他們將向科學的山巔發起新一輪衝刺。

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