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(jìzhě) 邱晨辉 想过机器人能(néng)像人类一样，灵巧地拿起易碎花瓶，或同时抓起多个形状各异的物品吗？这些人类手部的“拿手好戏(náshǒuhǎoxì)”，如今机器人手也能做到了(le)。 6月9日，北京大学(běijīngdàxué)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(zǔchéng)的研究团队，取得这样一项机器人技术突破(tūpò)，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《自然-机器智能》刊发。 机器人仿生(fǎngshēng)手F-TAC Hand抓取多物体(wùtǐ)示意图。研究团队供图 随着人类的(de)进化(jìnhuà)，手部的功能由攀爬转为使用工具，并(bìng)逐渐掌握了精准抓握能力。手部既是人类改造自然与(yǔ)外界交互的核心器官，也是智能的核心载体。论文共同第一作者(zuòzhě)、北京通用人工智能研究院研究员李皖林介绍(jièshào)，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，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“触觉反馈”与“运动(yùndòng)(yùndòng)功能”两大能力：触觉反馈包含运动觉与皮肤(pífū)触觉，前者通过肌肉、肌腱和关节感知力量，后者通过皮肤感知接触状态、纹理、温度、摩擦力等物理(wùlǐ)特性；运动功能包括运动学与动力学，前者研究(yánjiū)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。 在以往的研究中，触觉反馈与运动(yùndòng)能力的整合(zhěnghé)，被认为是(shì)机器人(jīqìrén)研究领域中的关键挑战之一(zhīyī)。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），是国际罕见同时具备全手高分辨率触觉感知和完整(wánzhěng)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、北京大学人工智能(réngōngzhìnéng)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的触觉传感能力，这使人们(rénmen)能够精确(jīngquè)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(fāngshì)可能完全不同(bùtóng)。然而，在机器人领域，如何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，研究团队开发的高分辨率触觉传感器(chuángǎnqì)，覆盖了(le)机器人“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(yǒu)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(de)设计灵感来源于人类手部的生物结构。 人类手部触觉系统由两个关键要素组成：遍布皮肤的密集触觉传感器阵列(zhènliè)和大脑(dànǎo)中专门解释这些海量感觉输入(shūrù)的神经(shénjīng)处理机制。赵秭杭说，F-TAC Hand模拟了这种设计，将17个高分辨率触觉传感器，以6种不同配置(pèizhì)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(réngōngzhìnéng)研究院博士生李宇飏告诉(gàosù)记者，团队通过开发(kāifā)一种生成多样化抓取策略的算法，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。 他(tā)进一步解释：多物体同时抓取，是评估机器人手灵巧性的(de)(de)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，需要做精确的全手接触检测并调整(tiáozhěng)运动策略，才能实现精准、稳定抓取。 实验(shíyàn)结果表明，当规划出的多物体抓取(zhuāqǔ)策略，在现实(xiànshí)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(yánjiū)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(jīqìrén)仿生手F-TAC Hand 与人手性能对比图(tú)。研究团队供图 论文共同第一作者、北京通用人工智能研究院研究员刘腾宇告诉记者，相比没有(méiyǒu)触觉(chùjué)反馈的(de)系统，F-TAC Hand在面临执行误差和物体碰撞风险时表现出显著(xiǎnzhù)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，这对机器人在家庭、医疗和工业环境中的实际应用(yìngyòng)至关重要。 “这项研究不仅是技术上的突破，更为理解智能的本质提供了(le)新视角。”论文通讯作者(zuòzhě)、北京大学人工智能(réngōngzhìnéng)研究院助理教授朱毅鑫说，近年来，大型语言模型等基于纯(chún)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任务时仍面临巨大挑战。此次研究表明(biǎomíng)，真正的智能行为需要(xūyào)“知行合一(zhīxínghéyī)”，丰富的感知能力对于机器(jīqì)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意义。 作为人形(rénxíng)机器人与外界交互的(de)重要媒介(méijiè)，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(kěyǐ)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、特殊环境作业等领域更广泛的应用。 来源：中国青年报(zhōngguóqīngniánbào)客户端