科学家给机器人装“超级仿生手” 可像人类一样灵活抓取

中青报·中青网记者 邱晨辉(qiūchénhuī) 想过机器人能像人类一样，灵巧地拿起易碎花瓶(huāpíng)，或同时抓起(zhuāqǐ)多个形状(xíngzhuàng)各异的物品吗？这些人类手部的“拿手好戏”，如今机器人手也能做到了。 6月9日，北京大学(běijīngdàxué)(dàxué)人工智能研究院、北京大学武汉(wǔhàn)人工智能研究院、北京通用人工智能研究院、北京大学工学院和伦敦玛丽女王大学联合组成的研究团队，取得这样一项机器人技术(jìshù)突破，成果论文《高分辨率触觉感知机器手实现类人适应性抓取》当天在(zài)国际学术期刊《自然-机器智能》刊发。 机器人仿生(fǎngshēng)手F-TAC Hand抓取多物体示意图(shìyìtú)。研究团队供图 随着人类(rénlèi)的进化，手部的功能由攀爬(pānpá)转为使用工具，并逐渐掌握了精准抓握能力。手部既是人类改造自然与外界交互的核心(héxīn)器官，也是智能(zhìnéng)的核心载体。论文共同第一作者、北京通用人工智能研究院(yánjiūyuàn)研究员李皖林介绍，人的手部具有结构高度复杂、功能极为精密的特点(tèdiǎn)，手部由27块骨骼和34块肌肉组成，提供了24个自由度的灵活性。对人类手部功能的研究，是具身智能与机器人学科研的前沿领域。 他告诉记者，人在拿取物体时涉及“触觉(chùjué)反馈”与“运动功能(gōngnéng)”两大(liǎngdà)能力：触觉反馈包含运动觉与皮肤触觉，前者通过肌肉、肌腱和(hé)关节感知力量，后者(hòuzhě)通过皮肤感知接触状态、纹理、温度、摩擦力等物理特性；运动功能包括运动学与动力学，前者研究关节的角度、位置及其运动的几何(jǐhé)关系，后者研究力和扭矩如何作用于关节和肢体，从而实现精确的运动控制。 在以往(yǐwǎng)的研究(yánjiū)中，触觉反馈与运动能力的整合，被认为是机器人研究领域中的关键(guānjiàn)挑战之一。此次研究团队开发的“基于全手触觉的机器人仿生手”（Full-hand Tactile-embedded Biomimetic Hand，简称F-TAC Hand），是国际罕见(hǎnjiàn)同时(tóngshí)具备全手高分辨率触觉感知和完整运动能力的机器人手系统(xìtǒng)。 机器人仿生(fǎngshēng)手F-TAC Hand示意图。研究团队供图 论文共同(gòngtóng)第一作者、北京大学人工智能研究院博士生赵秭杭告诉记者，人类手部的灵活性和(hé)适应性，很大程度上归功于其密集的触觉传感能力，这使(zhèshǐ)人们能够精确感知(gǎnzhī)与调整抓握过程。例如，人类在抓取一个装满水的杯子与一个空杯子时，抓握杯子的位置、角度、方式可能完全不同。然而，在机器人领域(lǐngyù)，如何(rúhé)在不影响运动功能的前提下实现全手触觉覆盖，很长时间以来是个难题。 他告诉记者，研究团队(tuánduì)开发的高分辨率触觉(chùjué)传感器，覆盖了机器人(jīqìrén)“手掌”表面70%的广大区域，空间分辨率达到0.1毫米，相当于每平方厘米约有1万个触觉像素，远超目前商用(shāngyòng)机器人手的触觉感知能力。 F-TAC Hand的设计灵感来源于人类手部的生物(shēngwù)结构。 人类手部触觉系统由两个(gè)关键要素组成：遍布皮肤的密集触觉传感器阵列和大脑中专门解释(jiěshì)这些海量(hǎiliàng)感觉输入的神经处理机制。赵秭杭说，F-TAC Hand模拟了(le)这种设计，将17个高分辨率触觉传感器，以6种不同配置集成在一起，并在不牺牲灵活性的前提下，实现(shíxiàn)了前所未有的触觉覆盖范围。 论文共同第一作者、北京大学人工智能(réngōngzhìnéng)研究院博士生李宇飏告诉记者，团队通过开发一种生成多样化(duōyànghuà)抓取策略的算法，基于概率模型，能够产生大量(dàliàng)多样化的抓取方式，其中涵盖了与人类非常相似的19种抓取类型(lèixíng)。 他进一步解释：多物体同时抓取，是(shì)评估机器人手灵巧性的重要基准测试，比单一物体要复杂得多。抓取单一物品可以通过双指夹持的方式实现，但当用一只手抓取多个物体时，需要(xūyào)做精确的全手接触检测并调整运动策略，才能实现精准(jīngzhǔn)、稳定(wěndìng)抓取。 实验结果表明，当规划出的(de)(de)多物体(wùtǐ)抓取策略，在现实环境中遇到障碍时(shí)，F-TAC Hand能够在约100毫秒内感知情况并(bìng)快速切换到替代策略，完成任务。为验证这一技术的实际效果，研究团队在600次真实世界实验中评估了F-TAC Hand的多物体抓取能力。 机器人仿生手(shǒu)F-TAC Hand 与人手性能(xìngnéng)对比图。研究团队供图 论文共同第一作者、北京通用人工智能(réngōngzhìnéng)研究院(yánjiūyuàn)研究员刘腾宇告诉记者，相比没有触觉反馈的系统，F-TAC Hand在面临执行误差和(hé)物体碰撞风险时表现出显著的适应性优势，使F-TAC Hand能够像人类一样，在不确定环境中保持高效灵活的操作能力，这(zhè)对机器人在家庭(jiātíng)、医疗和工业环境中的实际应用至关重要。 “这项研究不仅是技术上(shàng)的突破，更为(gèngwéi)理解(lǐjiě)智能的本质(běnzhì)提供了新视角。”论文通讯作者、北京大学人工智能研究院助理教授(jiàoshòu)朱毅鑫说，近年来，大型语言模型等基于纯计算的人工智能取得(qǔde)了显著进展，但它们在处理物理世界的实际交互任务时仍面临巨大挑战(tiǎozhàn)。此次研究表明，真正的智能行为需要“知行合一”，丰富的感知能力对于机器智能的发展同样不可或缺。F-TAC Hand的成功，为“具身智能”开辟了新的研究方向，对构建下一代人工智能系统具有重要启示(qǐshì)意义。 作为(zuòwéi)人形(rénxíng)机器人与外界交互的重要媒介，机器人手是机器人功能性的直接体现，需要“人手”参与的工作(gōngzuò)都可以是机器人手的应用场景。朱毅鑫告诉记者，这项研究成果有望推动机器人技术在医疗、工业制造、特殊环境作业(zuòyè)等领域更广泛的应用。 来源：中国青年报客户端(kèhùduān)