智能机器人手的材料和工作原理说明。朱荣/供图
近日，国家发展改革委、住房和城乡建设部联合发布《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》号文件，明确推进“十四五”期间城市生活垃圾分类处理设施建设，加快建立分类投放、分类收集、分类运输、分类处理的生活垃圾处理体系；提出到2025年底，城市生活垃圾利用率达到60%左右。
虽然近年来我国在生活垃圾分类处理方面取得了显著的成绩，但在一些城市和社区，垃圾分类仍然是一个棘手的问题。
近日，清华大学精密仪器系教授朱荣带领团队研发多功能触觉传感器。采用类皮肤多层结构，原位集成多模式感知，实现触感、物感、温度感等高密度融合。将触觉传感器应用于机器人手的抓取感知，实现了对物体形状、大小和材质的多属性识别，并成功应用于垃圾分类。
垃圾分类，也许是人类“平躺”让机器人拍摄的时候了。
分拣难题
截至去年底，在全国首批开展垃圾分类首批试验的46个重点城市中，生活垃圾分类小区覆盖率达到86.6%，生活垃圾平均回收利用率为30.4%，餐厨垃圾处理能力从2019年的每天3.47万吨提升至2020年底的每天6.28万吨。
中国战略性新兴产业环保联盟主席、住房和城乡建设部科技委委员张毅肯定了我国垃圾分类取得的初步成效，也表示目前垃圾分类工作在不同地区差异较大。“除了46个重点城市，大部分地级市和县镇的生活垃圾收运设施都需要建立。目前很难在源头分类撤桶，各地需要多加注意。”
日前，北京市丰台区出台垃圾分类示范社区(村)的“城市微环境”治理模式，称“小区内居民全部参与垃圾分类，投放准确率90%，斗前值守100%。
90%的准确交付率取决于100%的铲斗前负载率。也就是说，城市居民扔垃圾离不开监督员。事实上，由于一些人缺乏分类意识或知识，许多社区会在垃圾桶前安排监督员给予指导。由于有些社区源头分类难以实施，居民堆放的垃圾应进行二次破碎分类后，再配备专人看管垃圾箱。
垃圾分类对于人来说是一个意识或知识的问题，但对于机器人来说却是一个难以突破的点。
机器人分拣靠“摸”
“如何快速准确地识别物体并完成分类是机器人识别分类的难点。”朱荣告诉《中国科学报》，“人类对物体的分类首先依靠视觉识别，然后用手完成分类。由于分类需要通过抓取来完成，在抓取过程中，利用触觉进行分类可以降低机器人的视觉要求，同时抓取(触摸物体)，进行识别和分类动作。利用触觉感知，还可以在没有视觉观察的场景中进行物体识别，例如火灾搜索和救援。”
朱荣表示，柔性电子感知具有感知周围环境和功能的能力，还能对不同的生理参数做出响应，可用于可穿戴式生理监测，服务于医疗健康。柔性感知也是智能机器人交互的关键，在机器人非视觉感知技术领域发挥着非常重要的作用。然而，目前柔性传感传感器和系统仍存在技术瓶颈，其实际应用面临巨大挑战。
针对上述问题，朱荣团队提出了一种新的基于热传感的多维传感机制，该机制利用了热敏薄膜和外部传导/对流
为了满足智能机器人对触觉感知的应用需求，团队开发了一种原位集成压力、材料导热率、物体温度和环境温度四种感官的触觉传感器，并将触觉传感器应用于机器人手部感知系统，利用深度学习的方法将感知转化为机器人对物体的认知，实现对抓取物体的形状、大小、温度和材质的高精度识别。
size:15px;">“不同物体有不同的机械和热学的特性，利用触觉传感器检测物体的这些属性，可以有效识别出不同物体。”朱荣说，“该传感器可将压力感知与热物性等多模信息进行融合，从而大幅提高物品识别准确率，从基于单模压力感知的69%识别率提高到基于多模感知的96%。”人手有能力通过皮肤中的热感受器和机械感受器，来识别不同大小、形状和材料的物体。受此启发，朱荣团队分析了机器手抓取物体时最常接触的位置，在机器手的 5 个指尖和手掌上，安装了 10 个传感器，来检测物体的温度、环境温度、被测物体的导热率和接触压力等信息。
朱荣团队以塑料袋、泡沫、纸箱、罐头盒、餐巾纸、面包、橙皮等7种垃圾作为实验对象，用7种垃圾的数据集去训练机器手。实验表明，结合多模触觉感知信息和机器学习之后，机器手识别7种垃圾的总分类准确率达到 94%左右。该研究成果近日发表于《科学—机器人》。
通过垃圾练“手”
生活垃圾来源广、成分复杂，经常出现湿漉漉、脏兮兮的状态，因此传统的分选、筛选技术无能为力。
同样是机器人垃圾分拣领域，上海交通大学中英国际低碳学院固体废弃物资源化技术与智能装备团队研发出超视觉垃圾分拣机器人，通过机器视觉中的三种主流识别传感系统（CCD视觉、激光视觉、近红外视觉）相耦合，综合判断目标物的外部特征（颜色、形状、纹理等）与内部特征（材质），达到垃圾的精准定位与细分判别。然后利用free-model的超视觉技术，实现各品类、各形状、各表面材料的样品识别。
“超视觉垃圾分拣机器人有效分拣率可达95%，最高分拣速度5400次/小时。生产线上每套设备布置2个机械手，相当于替代了54个分拣工人的工作量。”超视觉垃圾分拣机器人项目负责人、上海交通大学中英国际低碳学院副教授李佳介绍说。
垃圾分类工作量大、过程简单重复。人工分拣不但面临气味刺鼻、工作环境差等问题，还存在有害物质伤害人体健康的可能。同时，垃圾分类的目标之一是分拣出可回收利用物品，减少其他垃圾量。“垃圾分类在任何国家都不是一蹴而就的事，既要做好‘打持久战’的准备，也要采取科学、系统和综合的措施，重点突破自家垃圾桶到公共垃圾箱的分类投放环节，彻底解决分类投放、收集、运输、处理全过程的系统运营难点。”清华大学环境学院教授温宗国说。
实际生活中，可回收利用的垃圾种类有限，因此，机器人分拣垃圾大有可为。“只是机器人识别需要通过大量的样本学习，其难度在于，如何将生活中的各式各样物品收集到，作为样本让机器学习。如果将这些脏兮兮的物体作为实验样本让机器人学习，那么这些垃圾就能够被识别。”朱荣说，“当然，将视觉和触觉相结合是提高机器识别有效性和准确率的优选方案。”
记者 张双虎
来源： 《中国科学报》