JP2010528267A - グリップ制御のための生体模倣触覚センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ヒトの指尖部および触覚受容器を模倣する、堅牢な触覚センサアレイが開示される。機械的構成要素は、弾性皮膚内に含まれる弱導電性流体によって囲まれる硬いコアを有する指尖部である。それは、変換処理の一部としての指肉の変形可能な特質を使用する。複数の電極が、硬いコア表面上に配設され、コア内のインピーダンス計測回路へ接続される。外力は電極近傍の流体経路を変形させ、それらの力およびそれらの力を加える物体についての情報を含むインピーダンス変化の分布されたパターンを結果として生成する。特徴を抽出する方法は、機械的入力そしてこの情報を反射的グリップ制御に使用することに関連する。
【選択図】図1
Description
本特許出願は、「生体模倣触覚センサ」と題される、2007年3月28日に出願された、米国特許出願11/692,718に関連する。
本発明は、高等研究計画局(DARPA)によって提供された、契約番号907959に基づく、政府の援助を伴ってなされたものである。政府当局は、本発明について、一定の権利を有する。
本出願は、一般的に、ヒトの皮膚によってもたらされる性能に匹敵する、ロボットまたは人口の指尖部からの感知フィードバック情報性能の一群を提供する、装置および方法に関する。
図1を参照すると、センサ集合体1は、流体、弾性またはゲル機械的特性を含む指肉4によって被覆される十分に硬いコア2からなり、シール7によってコア2に取り付けられた皮膚6によって覆われ、結果生成されるパッド12の周囲に沿って覆われる。複数の電極8が、以下に記載されるように、物体および表面との接触が感知されるコア2のそれら表面上に具備される。ゼメルの米国特許4,980,646は、本触覚センサの実施形態において実装される、その他の触覚センサの形態を記載する。
感知は、電極8間の電気インピーダンス変化を計測することによって達成される。電極8の、コア2の外形付けられた表面上の分布および位置が、センサ集合体1の感知特性の主要要素となる。検知回路20の一実施形態が図2に概略的に示され、以下により詳細に記載される。計測された電気インピーダンス24は、指肉4の厚みおよび電気的特性によって支配されうる。以下により詳細に記載される様々な構成のいくつかにおいては、これは、ある電極8とその他の電極または基準点との間で計測され、上記電極8および当該電極8を直近で被覆する皮膚6間の距離の逆数に一般的に依存する抵抗でもよい。この距離は、被覆する皮膚上の圧力により減少するが、粘弾性指肉4内の静水圧により上昇する。皮膚6が電極8を完全に塞ぐ場合、電気インピーダンス24が非常に大きくなり、望ましくない、接触力のさらなる増加に対して感度が低くなる。この問題は、皮膚6の内面に質感を持たせることによって対処されうる。そのような質感は、皮膚6が、以下に記載されるように浸漬被覆およびin situでのポリマー化の方法によって形成されることによって、生成されうる。この場合、コア2の表面および電極8は、所望の質感を持つ表面を生成するために浸漬被覆前に、磨耗されうる。
検出回路20は、機械的な支持および保護を提供するコア2の陥凹部内に設けられる。図2に概略的に示されるように、上記検出回路20は、電力供給21を、電極8の様々な組合せへ適用される通電信号22へ変換する。指肉4を通る電極8間の実効回路のインピーダンス24は、計測回路26によって定量化され、分析ロジック30へ通信される。指肉が電子導電体である場合、通電信号22は、直流電流または電圧でありうる。計測値は、それぞれ直流電圧または電流である。指肉4を通る体積導電路のインピーダンス24は、オームの法則によって計算されうる、その抵抗要素によって支配される。指肉4が水溶液またはゲルのようなイオン性の導電体である場合、通電信号22は、電極8上における電気分解および分極化の効果を回避するために有利である、交流電流または電圧でもよい。計測される交流電圧または電流の大きさは、体積導電路のインピーダンス24をオームの法則に従って計算するために、整流およびローパスフィルタを介することによって、求められうる。
触覚センサアレイが位置する指尖部への、メカトロニックなハンドのための制御システムから形成されなくてはならない電気的接続の数を減少させることも、有用である。これは、各々の電極接触から発生するデータを、デジタルビットのシリアルストリームへ多重送信することによってなされうる。電極接触、アナログ信号調整およびデジタル化用に電源供給するために必要とされる回路は、様々な電極、その他の変換器、およびそれらの電気的接続と並んで、物理的に指尖部に配置される。通常これは、多くの異なる能動回路またはカスタムデザインのICを必要とする。例示的な実施形態では、単純な回路は、ベアダイとして調達され、触覚センサアレイを含む様々な電極への直接接続のためのハイブリッド回路上へ組み込まれるICを含む、既製品から形成されうる。
コア2の外形、被覆する指肉4、および皮膚6と関連して、電極8の位置付けは、センサ集合体1が様々な力ベクトルで様々な物体および表面と接触する際、検出回路20によって計測される様々なインピーダンス24の変化の、明確なパターンを引き起こす。分析ロジック30は、そのように検出されたパターンに従って、接触の本質についての推測をする、特徴抽出アルゴリズムを組み込む。どの特定の刺激パラメータの異なる状況がセンサ集合体1を構成する電極アレイを影響するのかを認定することは、有用である。そのような影響が結果としてセンサ要素の全てにわたる十分に明確な出力パターンとなる場合、接触される物体の特徴および接触力の時空間分布という観点における接触状態の本質を認識するための、神経系に具現されるのと同様に機能する神経ネットワークとして知られるアルゴリズムを具備できる。つまり、神経ネットワークは、区別されなくてはならないいかなる刺激の、これら特徴に有用な方法により反応するように学習することによって訓練されうる。図7は、センサ集合体1からのシリアル化されたセンサデータが、神経ネットワーク34の入力層へデータを提供する入力デマルチプレクサ32から構成される分析ロジック30によって処理される構成を示す。出力層36は、制御信号37a−cを、メカニカルハンド39の関節を操作する作動装置38へ提供する。メカニカルハンド39の動作は、指と把握されるべき外的物体との間の接触力の変化を引き起こし、結果センサ集合体1からの信号の変化となる。神経ネットワーク34は、中間層内で利得として具現される入出力信号間の、接続マトリックスから構成される。神経ネットワーク34は、メカニカルハンド39の反応と同様の状況下で同様の物体を操作する通常の人の手の観察結果についてのデータセットとの間の比較に由来する訓練信号35に従って、それらの利得を反復的かつ組織的に調整することによって、入出力信号間の所望の変換を生成するように訓練される。
センサ集合体1の中心領域上での総力が増加するに連れて、指肉4は、皮膚6と位置aおよびbの電極8との間の空間を増加させる周辺ノートのシール7近傍領域へ、横方向へ押しつぶされる。センサ集合体1の圧迫された中心領域の電極8を覆う指肉4はより薄くなり、それらの電極と関連するインピーダンス計測が、皮膚6と位置d、eおよびfの電極8との間の減少された空間のハイノートとなることを引き起こす。全てのそのようなインピーダンスの合計は接触力の総力に関連し、合計は、電極が皮膚へ値が近づくに連れてインピーダンスの非線形的な増加が優位となる。
上述の接触力計測に関連するインピーダンスの増加は、力の中心がセンサ集合体の表面状のどこにあるかと、接触物体の曲率半径とを予測するアレイ電極8の位置に関連しうる。たとえば、鋭い物体は、接触点に近い1つか数個の電極のみに大きなインピーダンス変化を引き起こす、皮膚の局部的な変形を生じる。指肉4が圧縮不可能な物質である場合、1つ以上の電極8上の厚みのいかなる減少も、接触領域から離隔してあるその他の電極8上の厚みの急激な増加を伴う。
接触物体が放射方向に対称的でない場合、電極により検出されるインピーダンス変化の分布は、同様に非対称的となる。この非対称性が、接触物体の形状についての予測をするために検出されうる。
接触物体が放射方向に対称的でない場合、電極によって検出されるインピーダンス変化の分布は、同様に非対称的となる。空間パターンはまた、接触物体の曲率半径に関連する。たとえば、小さいまたは薄い物体は、接触点近傍の1つか数個のみの電極の大きなインピーダンス変化を引き起こす、皮膚の局所的な変形を生じる。鋭い角は、(流体の変位および皮膚の隆起の結果としての)高インピーダンスの電極と、低インピーダンスとの間の急激な境界を生じる。
ほとんどの物体操作タスクでは、センサ集合体1と接触物体との間の力は、センサ集合体1の表面と空間的に垂直に位置付けられているわけではない。生物的な皮膚では、せんだん力要素が、皮膚および皮下組織内にある受容器によってのみならず、特に皮膚が爪床により固定される指肉の周辺の圧力分布によってでも、感知される指尖部内の圧迫および重圧分布を変化させる。これは、上述に参照され、包含されたジャーナル記事(バーズニク、ジェンマル、グッドウィン&ヨハンソン2001)に記載されている。本触覚感知指尖部では、せんだん力が電極から離隔する方向に作用する場合、皮膚のシール部近傍の、コアのほとんどの凸部上に位置するこれらの電極は、インピーダンスの大きな上昇を検出する。そのような力は、皮膚を滑らせ、これらの電極上の流体を圧縮する。力ベクトルの垂直方向からの乖離は、一般的に、把握された物体が滑ったり回転したりする傾向に関連する[17,18]。
発生しうる滑りの検出は、物体の効率的かつ効果的なグリップの維持に非常に重要である。ここで、物体の効率的かつ効果的なグリップの維持は、安定した把握を開始し維持するために必要とされる物体上の最小力のみを出力することが、一般的に好ましい。生物的指尖部では、発生しうる滑りは皮膚内のせんだん力分布の局所的で極めて小さい偏移によって検出される。電気インピーダンスと被覆する指肉の厚みとの間の関連性は、上述のように、本質的に高度に非線形である。たとえば、非導電性で弾性皮膚の内表面が実際に電極に触れ覆う場合、その他のどのような接触に関するインピーダンスは、急激に無限に上昇する。弾性皮膚6の内表面状へ隆起および突起のような、突出する質感要素5を取り込むことによって、皮膚がコアに対して圧縮される時、電極アレイのインピーダンス分布は、大きな変化を起こす。図4では、位置eの電極8のインピーダンス24は最上値となる。なぜなら、一質感要素5がそれを完全に覆うように、サイズ化および位置付けされるためである。一方、やや低いがしかしほぼ等しいインピーダンスが、隣接する質感要素5によって不完全に覆われる位置dおよびfでの電極によって計測される。皮膚6の小さい横方向の偏移または伸張でさえ、対応する3つ全ての質感要素5を再配置し、大きく容易に検出可能な計測されるインピーダンスパターン変化を生成する、例示的な実施形態では、システムは、実際のせんだん力または変化方向ではなく、せんだん力分布のいかなる変化の発現を検出するように構成される。そのようないかなる変化によって示唆される発生しうる滑りへの適切な反応は、上記参照のジャーナル記事(ヨハンソン&ウェストリング 1987)に記載されるように、物体へ加えられるグリップ力の上昇である。
生物的皮膚は、道具のような把握される物体とその他の物体との間で接触し離す際に発生する過渡的な機械的事象、および、質感のある物体表面上を滑る皮膚突起物の動きによって引き起こされる皮膚の振動を検出するのに有用で、皮膚変形の加速要素へ高度に敏感な、特化されたパチーニ受容器を含む。本システムの実施形態における電極のインピーダンスは、軽負荷時には非常に小さい変化のみを起こすが、電極アレイ全体に亘る電極の同期位相整合により、そのような変化を検出することが可能である。センサアレイからの微弱でノイズを含む信号の相関する要素の検出を高める様々な信号均一化技術が、従来技術において知られている。図5および6に示されるその他の方法として、指肉4内の静水圧が、充填管46へ接続された従来の圧力変換器29によって監視されうる。過渡的な機械的事象の検出は、ほとんどの物体操作の自動制御における主要要素である。そのような操作は、タスク小目標の達成を表す、個々の接触事象によって区切られる、連続的に関連付けられる動作局面について体系化される。これは、上記参照のジャーナル記事(ウェストリング&ヨハンソン 1987)に記載されている。電気信号の過渡的事象の検出およびタイミングを高める、通常使用される一信号処理技術は、電気技術者によく知られ、アナログ回路およびデジタル処理アルゴリズムによって実行されうる、時間的微分計算である。このように生成された触覚情報の利便性を高めるために、そのような技術をここに記載されるセンサから取得される信号へ適用することは、本システムの技術範囲内である。生物的触覚システムによる抽出および時間要素の使用の例は、上記参照のジャーナル記事(ヨハンソン&バーズニク 2004)に見つけられる。
図15に示されるように、センサは、わずかな変形へも劇的に反応する。前述のように、センサは、物体と接触することに関して、機械的過渡現象を検出しうる。センサが既知の速度で動くメカトロニックな指へ装着される場合、変形増加速度は、接触物体の硬さまたは柔軟さの段階を示すために使用されうる。柔軟な物体と比べると、硬い物体は、ある指速度にある変形(および電圧反応)の急上昇を引き起こす。
力、変形、およびインピーダンスに関するセンサの基本的な特性解析が開示されてきた。
電極および電解質の基礎的アレイに加えて、このシステムは、更なる感覚情報を提供するための強化と付加システムとが容易に適用されうる。
図9は、指尖部のように形成され、流体によって周囲を囲まれる硬い中心コア、そして、シリコーンの弾性「皮膚」によって被覆される、触覚センサを示す。皮膚は、磨耗に強く、生物的指尖部によってグリップを容易とする特性に類似する質感および厚みを有する。外力は皮膚および弱導電性流体を変形し、コアの湾曲した表面上に分布された電極接触アレイによって計測される電気抵抗変化を引き起こす。各々の体積導電パスのインピーダンスは、各々の接触へ交流電流を加え、その結果生じる電圧降下を参照接触と相対的に計測することによって計測されうる。図10は、皮膚が除かれたセンサコアのイメージを示す。
初期の試作品は、4つの金製実働電極、および周りを囲まれた銅製グラウンド電極を有した。金製電極は、断面域の直径0.635mmを持つワイヤであり、銅製電極は、直径0.406mmを持つワイヤである。ワイヤは、機械加工されたアクリル製本体(直径13mm、半球形末端)の側壁に取り付けられ、続いてエポキシによって充填された。
単一の実働電極接触と大きい参照電極との間の電気インピーダンスは、図12の回路によってモデル化される。
単一電極の静的特性を決定するために、対象電極から較正された距離にあるアレイへ垂直な力が加えられる。互換性のあるプローブを改良するために、3軸マニピュレータが使用された;半径1mmの曲率を持ち直径は2mm、半径11.5mmの曲率を持ち直径は20mm、および、大きい平板(9.67cm2)。プローブは、順に、触覚アレイの曲率と比べて曲率半径が、ずっと小さいか、約等しいか、かなり大きいか、であるように選択される。撓みは、皮膚との第1接触点から記録された。垂直力は、指尖部用のクランプ下のAMTI HE6X6 6軸床反力計(図14)によって計測された。
単一電極静的特性解析
1)電極上に直接加えられた撓み
指尖部が圧縮されるに連れて、初期値の10〜100倍のレンジにわたる電極インピーダンスの、単調だが非線形な上昇が観られる(図15)。傾きは、以下に記載されるように、プローブの曲率に複雑に依存する。指尖部の反応力はまた、流体が皮膚下から変位されるに連れて(図15および16のAと印された領域)、単調におよび非線形に上昇する。そして、皮膚は、硬いコアに対して圧迫される(BおよびC領域)。これは、図15と同じ試験についての図16に示されるインピーダンスvs曲率の結果となる。興味深いことに、これらのログ関数的曲線のS字形状は、あり得る入力の広範ダイナミックレンジに亘る局所的感度を最適化するために一般的に必要とされる、多くの生物的変換器を想起させる。
センサは、2mmプローブを使用する5.5mmの皮膚の撓みで、3×4グリッドにおいて、2mm増加量で体系的に検査された。近傍の変形への感度を示すために、X=7.5、Y=15mmに位置する電極周辺で行われた(図17)。
複数電極に亘る反応分布の粗な試験として、オシロスコープ上で複数電極からの整流およびフィルタされた信号を観察する間、試作センサがイナストマー力に敏感な抵抗上で回転された。
グリップを安定化することは、その必要性および自然な方法が熟知され始めた機能である。ローランド・ヨハンソンおよび共働者による一連の研究資料によると、グリップの安定性は、物体のサイズと形状、その質量および重量分布、および、指尖部と物体表面間の摩擦係数に影響されることが示された[26〜28]。彼らはまた、指尖部と物体表面間に発生する摩擦力が、さもなければ物体が滑らせてしまいかねない外力の小さなマージンを有するように、一般的に中枢神経系はグリップ力を調整することを示した[15,29]。この方法は、圧搾されうる繊細な物体を操作するためには十分に効率的であるが、把握された物体の感受された特性に従って、継続的な触覚感知およびグリップ力の調整を必要とする。
関連する米国特許出願No.11/692,718には、硬いコア表面に分布された電極を作成し、それから皮膚のような誘電性ポリマーにより浸漬被覆され、弱導電性溶液によって膨張されることによる、触覚センサアレイの作成が開示された。ある状況下では、皮膚内表面が「起伏および/または隆起」に形成されることが望ましいことも、記載された。
我々は、機械製作工のワックスのような比較的柔軟な物質を有効に使用して、所望のコア形状の陰性金型を作製するというコア形成方法を現在使用している。金型の表面上になくてはならない部分(たとえば、電極接触および毛細管の開口)が、金型の表面上の所望の位置に圧迫して取り付けられる。電極接触は、ワイヤの末端上で玉を熔解し、所望の形状および外形に玉を加締めすることにより、金やプラチナのような絶縁されたワイヤの末端上に形成される。この方法は、元々我々が蝸牛電極の作製で使用するために改良した方法である。(ローブ,G.E.,バイヤーズ,C.L.,レブシャー,S.J.,カセイ,D.E.,フォン,M.M.,シンドラー,R.A.,グレイ,R.F.およびマーゼニック,M.M. 試験的な蝸牛人工器官の設計および形成 Med.&Biol.Engng.&Comput.21:241−254,1983;ローブ,G.E.,ペック,R.A.およびスミス,D.W. 蝸牛電極アレイの超小型形成方法 J.Neurosci.Meth.63:85:92,1995)これらの構成要素から、いかなる所望の機械的または電気的接続が、電子回路または開いた金型内の接触ピンへと形成されうる。全ての構成要素およびそれらの相互接続は、その後、構成要素近傍の金型へ注入され、所定位置で硬化されるコア物質内へ組み込まれる。現在、我々は、コアを形成するために、歯科用アクリルを使用している。この方法は、表面の曲率を変えたり、および/または電極接触の数および分布を変えたりする、異なる応用のための触覚アレイをサイズ変更するのに役立つ。
アレイ内の各々のセンサ出力を同時に影響する、異なる要素を記載してきた。たとえば、皮膚圧迫のある一定の距離では、センサにより計測されるインピーダンスは、曲率半径と接触物体により加えられる力との両方に依存する。これは、それらが区別され得ないことを示唆する。実際、触覚探索中、皮膚圧迫の大きさおよび履歴は、オペレータによって制御される、指の能動的な動きに依存する。オペレータは、典型的に、おそらく異なる速さとおそらく異なる指先部分とで、プローブ動作を数回行う。その指先は、異なる部分では広範な曲率を持つ複雑な形状を有する。センサ信号の時間的パターンを観て、そしてそれらパターンを取得するためにされた実際の動作とそれらを分離することにより、オペレータは重要な情報を抽出できる。このような方法は、ヒトの触覚感覚に関する心理生理学的文献に記載されてきたが、おそらくほとんどのアレイは我々の技術により達成できた、複雑な生体模倣する振舞いを欠くため、これらは人工触覚センサアレイへ適用されてこなかったようだ。
Claims (20)
- 広範なダイナミックレンジの出力信号を検出するための生体模倣触覚センサであって、
a)十分に硬いコアと、
b)各々の電極が、電極と、他の電極によって感知された接触情報と独立したその他の物体との間の接触に関する接触情報を感知するように構成された、十分に硬いコアの表面に沿って分布される20−100個の感知電極と、
c)少なくとも一つの変形可能な、コアに取り付けられる皮膚に似せた層と、
d)コア内に設けられ、電極へ電気的に接続され、各々の電極によって感知される一つの接触情報であるサンプルデータ毎に、12またはそれ以上のビット数の解像度で各々の電極により感知された接触情報を検出するように構成される検出回路と、
を含む生体模倣触覚センサ。 - 各々の電極は、不活性金属から選択される物質を含むことを特徴とする請求項1に記載の生体模倣触覚センサ。
- 検出回路は、5〜100kヘルツの範囲の周波数で各々の電極へ交流電流を供給するようにさらに構成されることを特徴とする請求項1に記載の生体模倣触覚センサ。
- 検出回路は、毎秒100回以上各々の電極から接触情報をサンプリングするように構成されることを特徴とする請求項1に記載の生体模倣触覚センサ。
- 検出回路は、サイクルするクロック信号を受信し、接触情報の複数ビットバイナリサンプルおよび1クロックサイクル内に1ビットを生成するように構成されるAD変換器(ADC)をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の生体模倣触覚センサ。
- 検出回路はコア外の回路からクロック信号を受信するように構成されることを特徴とする請求項5に記載の生体模倣触覚センサ。
- クロック信号は、実質的に方形波信号であることを特徴とする請求項7に記載の生体模倣触覚センサ。
- 回路検出は、信号調整、デジタル化、直列化、および同期化を提供するように構成されることを特徴とする、請求項1に記載の生体模倣触覚センサ。
- ヒトの指尖部およびその分布される触感受容器を実質的に模倣する生体模倣触覚センサであって、
a)十分に硬いコアと、
b)各々の電極が、電極と、他の電極によって感知された接触情報と独立したその他の物体との間の接触に関する接触情報を感知するように構成された、コアの表面に沿って分布される複数の電極と、
c)内外表面のうち少なくとも一表面が質感を有する、少なくとも一つの変形可能な、コアに取り付けられる皮膚に似せた層と、
d)コアと少なくとも一つの変形可能な層との間の変形可能な物質と、
e)コア内に設けられ、複数の電極へ電気的に接続され、各々の電極によって感知される接触情報を検出するために構成される検出回路と、
を含むことを特徴とする生体模倣触覚センサ。 - 表面の質感は、微細でランダムなパターンを含むことを特徴とする請求項13に記載の生体模倣触覚センサ。
- 表面の質感は、きめが粗くおよび/またはスポンジ状であることを特徴とする請求項9に記載の生体模倣触覚センサ。
- 質感を有する表面は、一つ以上の隆起する要素を含むことを特徴とする請求項9に記載の生体模倣触覚センサ。
- コアと変形可能な層の内表面との間に変形可能な物質を保持および導入するように構成される毛細管をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の生体模倣触覚センサ。
- 変形可能な物質の圧力または温度を計測するように構成される、少なくとも一つのセンサをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の生体模倣触覚センサ。
- グリップを制御する接触の電気的信号を伝達するための、指尖部を模倣する生体模倣触覚センサであって、
a)十分に硬い曲線を有するコアと、
b)コアの表面に沿って分布される複数の電極と、
c)内および外表面を有する少なくとも一つの変形可能な層と、
d)コアと少なくとも一つの変形可能な層の内表面との間に囲まれる変形可能な物質と、
e)少なくとも一つの複数の電極から接触情報を検出し、グリップ制御のための接触情報の電気信号を生成するために構成される検出回路と、
を含むことを特徴とする生体模倣触覚センサ。 - 回路検出は、物体のサイズ、形状、質量または重量分布、または、物体と変形可能な層の外表面の間の摩擦係数のいずれか一つに関する接触情報を提供するように構成されることを特徴とする請求項15に記載の生体模倣触覚センサ。
- 検出された接触情報に基づいて調整され、接触情報の電気信号を受信するように構成されるグリップをさらに含むことを特徴とする請求項16に記載の生体模倣触覚センサ。
- グリップは、ヒトの脊髄または脳のいずれかによって反射的に媒介される調節を行うように構成されることを特徴とする請求項17に記載の生体模倣触覚センサ。
- 神経ネットワークによって訓練されるコントローラをさらに含み、検出回路は神経ネットワークによって訓練されるコントローラから受信される指令に基づいてグリップ制御するように使用しうる信号を提供するようにさらに構成されることを特徴とする請求項15に記載の生体模倣触覚センサ。
- 訓練されたコントローラは、ヒト被験者の反射反応を模倣するグリップ調整パターンを生成することを特徴とする請求項19に記載の生体模倣触覚センサ。
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