機(jī)器人仿生手F-TAC Hand與人手性能對(duì)比圖。研究團(tuán)隊(duì)供圖

想過(guò)機(jī)器人能像人類(lèi)一樣，靈巧地拿起易碎花瓶，或同時(shí)抓起多個(gè)形狀各異的物品嗎?這些人類(lèi)手部的“拿手好戲”，如今機(jī)器人手也能做到了。

近日，北京大學(xué)人工智能研究院、北京大學(xué)武漢人工智能研究院、北京通用人工智能研究院、北京大學(xué)工學(xué)院和倫敦瑪麗女王大學(xué)聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊(duì)，取得這樣一項(xiàng)機(jī)器人技術(shù)突破，成果論文《高分辨率觸覺(jué)感知機(jī)器手實(shí)現(xiàn)類(lèi)人適應(yīng)性抓取》在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-機(jī)器智能》刊發(fā)。

隨著人類(lèi)的進(jìn)化，手部的功能由攀爬轉(zhuǎn)為使用工具，并逐漸掌握了精準(zhǔn)抓握能力。手部既是人類(lèi)改造自然、與外界交互的核心器官，也是智能的核心載體。論文共同第一作者、北京通用人工智能研究院研究員李皖林介紹，人的手部具有結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、功能極為精密的特點(diǎn)，手部由27塊骨骼和34塊肌肉組成，提供了24個(gè)自由度的靈活性。對(duì)人類(lèi)手部功能的研究，是具身智能與機(jī)器人學(xué)科研的前沿領(lǐng)域。

他告訴記者，人在拿取物體時(shí)涉及“觸覺(jué)反饋”與“運(yùn)動(dòng)功能”兩大能力：觸覺(jué)反饋包含運(yùn)動(dòng)覺(jué)與皮膚觸覺(jué)，前者通過(guò)肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)感知力量，后者通過(guò)皮膚感知接觸狀態(tài)、紋理、溫度、摩擦力等物理特性;運(yùn)動(dòng)功能包括運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)，前者研究關(guān)節(jié)的角度、位置及其運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系，后者研究力和扭矩如何作用于關(guān)節(jié)和肢體，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。

在以往的研究中，觸覺(jué)反饋與運(yùn)動(dòng)能力的整合，被認(rèn)為是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。此次研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“基于全手觸覺(jué)的機(jī)器人仿生手”(Full-hand Tactile-embedded Biomimetic Hand，簡(jiǎn)稱(chēng)F-TAC Hand)，是國(guó)際罕見(jiàn)的同時(shí)具備全手高分辨率觸覺(jué)感知和完整運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人手系統(tǒng)。

論文共同第一作者、北京大學(xué)人工智能研究院博士生趙秭杭告訴記者，人類(lèi)手部的靈活性和適應(yīng)性，很大程度上歸功于其密集的觸覺(jué)傳感能力，這使人們能夠精確感知與調(diào)整抓握過(guò)程。例如，人類(lèi)在抓取一個(gè)裝滿(mǎn)水的杯子與一個(gè)空杯子時(shí)，抓握杯子的位置、角度、方式可能完全不同。然而，在機(jī)器人領(lǐng)域，如何在不影響運(yùn)動(dòng)功能的前提下實(shí)現(xiàn)全手觸覺(jué)覆蓋，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)是個(gè)難題。

他告訴記者，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的高分辨率觸覺(jué)傳感器，覆蓋了機(jī)器人“手掌”表面70%的區(qū)域，空間分辨率達(dá)到0.1毫米，相當(dāng)于每平方厘米約有1萬(wàn)個(gè)觸覺(jué)像素，遠(yuǎn)超目前商用機(jī)器人手的觸覺(jué)感知能力。

F-TAC Hand的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于人類(lèi)手部的生物結(jié)構(gòu)。

人類(lèi)手部觸覺(jué)系統(tǒng)由兩個(gè)關(guān)鍵要素組成：遍布皮膚的密集觸覺(jué)傳感器陣列和大腦中專(zhuān)門(mén)解釋這些感覺(jué)輸入的神經(jīng)處理機(jī)制。趙秭杭說(shuō)，F(xiàn)-TAC Hand模擬了這種設(shè)計(jì)，將17個(gè)高分辨率觸覺(jué)傳感器，以6種不同配置集成在一起，并在不犧牲靈活性的前提下，實(shí)現(xiàn)了前所未有的觸覺(jué)覆蓋范圍。

論文共同第一作者、北京大學(xué)人工智能研究院博士生李宇飏告訴記者，團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)一種生成多樣化抓取策略的算法，基于概率模型，能夠產(chǎn)生大量多樣化的抓取方式，其中涵蓋了與人類(lèi)非常相似的19種抓取類(lèi)型。

他進(jìn)一步解釋?zhuān)憾辔矬w同時(shí)抓取，是評(píng)估機(jī)器人手靈巧性的重要基準(zhǔn)測(cè)試，比單一物體要復(fù)雜得多。抓取單一物品可以通過(guò)雙指夾持的方式實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)用一只手抓取多個(gè)物體時(shí)，需要做精確的全手接觸檢測(cè)并調(diào)整運(yùn)動(dòng)策略，才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、穩(wěn)定抓取。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)規(guī)劃出的多物體抓取策略，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中遇到障礙時(shí)，F(xiàn)-TAC Hand能夠在約100毫秒內(nèi)感知情況并快速切換到替代策略，完成任務(wù)。為驗(yàn)證這一技術(shù)的實(shí)際效果，研究團(tuán)隊(duì)在600次真實(shí)世界實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了F-TAC Hand的多物體抓取能力。

論文共同第一作者、北京通用人工智能研究院研究員劉騰宇告訴記者，相比沒(méi)有觸覺(jué)反饋的系統(tǒng)，F(xiàn)-TAC Hand在面臨執(zhí)行誤差和物體碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)表現(xiàn)出顯著的適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)，使F-TAC Hand能夠像人類(lèi)一樣，在不確定環(huán)境中保持高效靈活的操作能力，這對(duì)機(jī)器人在家庭、醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

“這項(xiàng)研究不僅是技術(shù)上的突破，更為理解智能的本質(zhì)提供了新視角。”論文通訊作者、北京大學(xué)人工智能研究院助理教授朱毅鑫說(shuō)，近年來(lái)，大型語(yǔ)言模型等基于純計(jì)算的人工智能取得了顯著進(jìn)展，但它們?cè)谔幚砦锢硎澜绲膶?shí)際交互任務(wù)時(shí)仍面臨巨大挑戰(zhàn)。此次研究表明，真正的智能行為需要“知行合一”，豐富的感知能力對(duì)于機(jī)器智能的發(fā)展同樣不可或缺。F-TAC Hand的成功，為“具身智能”開(kāi)辟了新的研究方向，對(duì)構(gòu)建下一代人工智能系統(tǒng)具有重要啟示意義。

作為人形機(jī)器人與外界交互的重要媒介，機(jī)器人手是機(jī)器人功能性的直接體現(xiàn)，需要“人手”參與的工作都可以是機(jī)器人手的應(yīng)用場(chǎng)景。朱毅鑫告訴記者，這項(xiàng)研究成果有望推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)制造、特殊環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用。

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