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(zhōngqīngwǎng)记者 邱晨辉 想过机器人能(néng)像人类(rénlèi)一样，灵巧地拿起易碎花瓶，或同时抓起多个形状各异的物品(wùpǐn)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(běijīng)大学人工智能研究院(yánjiūyuàn)、北京大学武汉人工智能研究院、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(tuánduì)，取得这样一项机器人技术突破，成果论文《高分辨率触觉感知机器手实现类人(lèirén)适应性抓取》当天在国际学术期刊(xuéshùqīkān)《自然-机器智能》刊发。 机器人仿生手F-TAC Hand抓取多物体示意图(shìyìtú)。研究团队(tuánduì)供图 随着人类(rénlèi)的进化，手部的功能(gōngnéng)由攀爬转为使用工具，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(jiāohù)的核心器官，也是智能的核心载体。论文共同第一作者、北京通用(tōngyòng)人工智能研究院研究员李皖林介绍，人的手部具有结构高度复杂、功能极为精密的特点，手部由27块骨骼和34块肌肉组成(zǔchéng)，提供了24个自由度的灵活性。对(duì)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“触觉反馈”与(yǔ)“运动功能”两大能力(nénglì)：触觉反馈包含运动觉与皮肤触觉，前者(qiánzhě)通过肌肉、肌腱和关节感知(gǎnzhī)力量，后者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关系，后者研究力和扭矩如何作用于关节和肢体，从而实现(shíxiàn)精确的运动控制(kòngzhì)。 在以往的(de)研究中，触觉反馈与运动能力(nénglì)的整合，被认为(rènwéi)是机器人研究领域中的关键挑战(tiǎozhàn)之一。此次研究团队开发的“基于(jīyú)全手触觉的机器人仿生手”（Full-hand Tactile-embedded Biomimetic Hand，简称F-TAC Hand），是国际罕见同时具备(jùbèi)全手高分辨率触觉感知和完整运动能力的机器人手系统。 机器人仿生手F-TAC Hand示意图。研究团队(tuánduì)供图 论文共同第一作者(zuòzhě)、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适应性，很大程度上归功于其密集(mìjí)的触觉传感(chuángǎn)能力，这使人们能够精确感知与调整抓握过程。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，如何在不影响(yǐngxiǎng)运动(yùndòng)功能的前提下实现全手触觉覆盖(fùgài)，很长时间以来是个难题。 他告诉记者，研究团队开发的高分辨率(gāofēnbiànlǜ)触觉传感器，覆盖了机器人“手掌”表面(biǎomiàn)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(yǒu)1万个触觉像素，远超目前(mùqián)商用机器人手的触觉感知能力。 F-TAC Hand的设计灵感来源于(láiyuányú)人类手部的生物结构。 人类手部触觉系统由两个关键(guānjiàn)要素组成：遍布(biànbù)皮肤的(de)密集触觉传感器阵列和大脑中专门解释这些(zhèxiē)海量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、北京大学人工智能研究院博士生李宇飏告诉记者，团队通过开发一种生成(shēngchéng)多样化抓取(zhuāqǔ)策略的算法，基于概率模型，能够产生大量多样化的抓取方式，其中涵盖(hángài)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，是评估机器人手灵巧性的(de)重要(yào)基准测试(cèshì)，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(yīzhī)手抓取多个物体时，需要做精确的全手接触检测并调整运动策略，才能实现精准、稳定抓取。 实验结果表明，当规划出的多物体(wùtǐ)抓取策略，在(zài)现实环境中遇到障碍时，F-TAC Hand能够在约100毫秒(háomiǎo)内(nèi)感知情况并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(nénglì)。 机器人(jīqìrén)仿生手F-TAC Hand 与人手性能对比(duìbǐ)图。研究团队供图 论文共同第一作者、北京通用(tōngyòng)人工智能研究院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(miànlín)执行误差和物体碰撞风险(fēngxiǎn)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(zhōng)保持(bǎochí)高效灵活的操作能力，这对机器人在家庭、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的(de)突破，更为理解智能(zhìnéng)的本质提供了新视角。”论文通讯作者(zuòzhě)、北京大学人工智能研究院助理教授朱毅鑫说，近年来，大型语言模型等基于纯计算的人工智能取得了显著进展，但它们在处理物理世界的实际交互(jiāohù)任务时(shí)仍面临巨大挑战。此次研究表明，真正的智能行为(xíngwéi)需要“知行合一”，丰富的感知(gǎnzhī)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(fāngxiàng)，对构建下一代人工智能系统具有重要启示意义。 作为人形(rénxíng)机器人与外界交互的(de)重要媒介，机器人手是机器人功能性的直接体现，需要“人手”参与的工作都可以是机器人手的应用场景(chǎngjǐng)。朱毅鑫告诉(gàosù)记者，这项研究成果有望推动机器人技术在医疗、工业制造、特殊环境作业等领域更广泛的应用。 来源：中国青年报(zhōngguóqīngniánbào)客户端