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(jīqìrén)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(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，北京大学人工智能研究院、北京大学武汉(wǔhàn)人工智能研究院、北京通用(tōngyòng)人工智能研究院、北京大学工学院和(hé)伦敦玛丽女王大学联合组成的研究团队，取得(qǔde)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(shǒu)实现类人适应性抓取》当天在国际学术期刊《自然-机器智能》刊发。 机器人仿生手F-TAC Hand抓取多(duō)物体示意图。研究团队供图(gōngtú) 随着人类(rénlèi)的(de)(de)进化，手部的功能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(zìrán)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、北京通用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(shí)涉及“触觉(chùjué)反馈”与“运动功能”两大能力：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(mócālì)等物理特性；运动功能包括运动学(yùndòngxué)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(cóngér)实现精确的运动控制。 在(zài)以往的(de)研究(yánjiū)(yánjiū)中，触觉反馈与运动能力的整合，被认为是机器人(jīqìrén)研究领域中的关键挑战之一。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。研究团队供图(gōngtú) 论文共同第一作者、北京大学人工智能研究院(yánjiūyuàn)博士生赵秭杭告诉记者，人类手部的(de)灵活性和适应性，很(hěn)大程度上归功于(guīgōngyú)其密集的触觉传感能力，这使人们能够精确感知(gǎnzhī)与调整抓握(zhuāwò)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(tā)告诉记者(jìzhě)，研究团队开发的高分辨率触觉(chùjué)传感器，覆盖了机器人“手掌”表面70%的广大(guǎngdà)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(shǒubù)的生物结构。 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(chuángǎnqì)阵列(zhènliè)和(hé)大脑中专门解释这些海量感觉输入的神经处理机制。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(jìzhě)，团队通过开发一种生成多样化抓取策略的(de)算法(suànfǎ)，基于概率模型，能够产生大量多样化的抓取方式，其中涵盖了与人类非常相似的19种抓取类型。 他进一步解释：多(duō)物体同时抓取，是评估机器人手灵巧性的重要基准测试，比单一(dānyī)物体要复杂得多。抓取单一物品可以(kěyǐ)通过双指夹持的方式实现，但(dàn)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(de)多物体抓取策略，在现实环境中(zhōng)遇到(yùdào)障碍时，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(wánchéng)任务。为(wèi)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(fǎngshēng)手F-TAC Hand 与人手(rénshǒu)性能对比图。研究团队供图 论文共同(gòngtóng)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，相比没有触觉反馈的系统(xìtǒng)，F-TAC Hand在面临执行误差和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(rénlèi)一样，在不确定环境中(zhōng)保持高效灵活的操作能力，这对机器人在家庭、医疗和工业(gōngyè)环境中的实际应用至关重要。 “这项研究不仅(bùjǐn)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(lùnwén)通讯作者、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(xiǎnzhù)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，真正的智能行为需要“知行合一”，丰富(fēngfù)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(chénggōng)，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(zhòngyào)启示意义。 作为人形机器人(jīqìrén)与外界交互的重要媒介，机器人手是机器人功能性(gōngnéngxìng)的直接体现，需要(xūyào)“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(láiyuán)：中国青年报客户端