機器人的靈巧手怎樣煉成

半月談記者 張漫子

憧憬與機器人共同生活的人們很難不去幻想這樣一幕：回到家后，餐桌上已擺好想吃的飯菜、換下的衣物已經(jīng)洗凈烘干并收納整齊。完成這一切的，不是哆啦A夢的口袋，而是機器人的核心零部件——智慧又不乏靈巧的“手”。如果機器人真的有一雙“人手”一樣的靈巧手，我們的生活該有多么輕松愜意!然而現(xiàn)實中，靈巧手的制造談何容易。

手在人體器官中扮演的吃重角色，使得其精密程度遠超我們想象。也正因此，靈巧手被稱作機器人進入日常生活、成為我們真正助手的“最后一厘米”。讓機器人擁有一雙巧手，不僅是一道科學(xué)問題、一個工程難題，也是一場創(chuàng)新者漫長的遠途。

靈巧手多靈巧?

手是人體最靈活復(fù)雜的器官之一，也是我們使用頻率最高的運動器官之一，盡管重量僅占人體總重量的1/150，卻決定著全身逾半數(shù)運動功能的發(fā)揮。那么，與擁有21個自由度的人類之手相比，機器人的靈巧手，現(xiàn)在發(fā)展到什么地步了?

靈巧手的雛形，就是工廠流水線上的末端執(zhí)行器，如夾爪、吸盤、噴嘴、焊槍……不過，這樣的“手”還是專門為特定任務(wù)而生，適用場景相對單一，只能完成簡單的抓取或固定操作。

然而，今天的機器人靈巧手足以讓人刮目相看。一般而言，其設(shè)計靈感源自對人類手部更為完整的理解，能夠藉由器件相當(dāng)精密地模擬人類手指的骨骼和關(guān)節(jié)的運動方式。靈活地彎曲、伸展和轉(zhuǎn)動，對這雙靈巧手而言都不在話下，足以實現(xiàn)對物體多角度、全方位的抓取乃至各類操作，比如擰開瓶蓋、捏取雞蛋、操控精密零部件等。

靈巧智能CEO周晨說，就像人不只用眼來指揮手，靈巧手配置的觸覺傳感器和力傳感器，足以幫助機器人感受物體的形狀、大小、硬度、溫度……不必局限于視覺交互，這就能保障機器人的動手能力邁上一個新臺階。

當(dāng)然，目前靈巧手離盡善盡美還頗有距離。要知道，人手有13種基本功能，其中抓取操作就能細分為勾拉、側(cè)捏、動態(tài)操作等8種。當(dāng)下的機器人，還掌握不了這么多“手法”。

賦予機器人一雙巧手，我們正站在一條希望之路的出發(fā)處。

如何研發(fā)靈巧手?

說來說去，作為機器人擬人化的關(guān)鍵，機器人的靈巧手，到底該怎么研發(fā)?

“從仿生學(xué)的角度來說，機器人和人工智能本是一體兩面。”如南京航空航天大學(xué)教授、南京神源生智能科技有限公司董事長戴振東所言，人類擁有骨骼和運動系統(tǒng)，也有大腦和感知能力;機器人既需要具備本體結(jié)構(gòu)，也需要智能控制?！皺C器人學(xué)的初始階段，限于技術(shù)條件，我們只能將兩部分分開探索，現(xiàn)在它們終于可以自然聯(lián)通起來?！?/p>

細究起來，機器人的一雙靈巧手，其實是一個由四部分構(gòu)成的系統(tǒng)：傳感器系統(tǒng)相當(dāng)于皮膚與神經(jīng)末梢，感知接觸狀態(tài)、力度變化與空間位置;控制系統(tǒng)則充當(dāng)“大腦”，依托算法實時分析數(shù)據(jù)，發(fā)出協(xié)調(diào)指令;驅(qū)動系統(tǒng)相當(dāng)于肌肉，為動作提供動力;傳動系統(tǒng)如同筋腱，通過齒輪、連桿或鋼索將動力精準傳遞至指節(jié)。

工業(yè)人形機器人演示搬運物品 梁旭 攝

“傳動和感知是靈巧手最核心的技術(shù)點?！敝艹空f，以感知系統(tǒng)為例，僅是“端起一杯咖啡”這樣一個簡單動作，靈巧手就需要判斷——多大的運動幅度能觸碰到杯柄、但又不至于碰翻它?施加多大的力度可以握穩(wěn)陶瓷杯身又不會將杯柄捏碎?這一系列動作依賴視覺、觸覺、力覺等多模態(tài)感知系統(tǒng)的協(xié)同配合。

現(xiàn)如今，追求品質(zhì)生活的人類，希望得到的機器人幫手，自然是精細操作水準越高越好——上得了手術(shù)臺縫針，下得了廢礦井清理危險物。要想完成這么多任務(wù)，傳動與感知在靈巧手研發(fā)中的重要性，也就不言而喻了。

哪些關(guān)卡，還在攔路?

接下來，要給機器人一雙真正的靈巧手，科學(xué)家還要過幾關(guān)?

首先得把手做小。靈巧手的“靈”，來自更靈活的關(guān)節(jié)和更多的自由度，但每增加一個自由度，就需在手掌內(nèi)多嵌入一個對應(yīng)的驅(qū)動器，這就使得今天我們見到的機器人往往有一雙大手。機器人上游企業(yè)他山科技CEO馬揚說，自由度越多，執(zhí)行端建模要面對的挑戰(zhàn)就越復(fù)雜。

當(dāng)前，特斯拉等企業(yè)采取的路線是通過模擬人類身體，將驅(qū)動系統(tǒng)裝入手臂來縮小手的尺寸;國內(nèi)廠商則多通過優(yōu)化芯片布局等方式尋找自由度與尺寸之間的平衡。“把手做小非常困難，因為它對集成化的程度和要求更高?！币驎r機器人CMO房海南說。

怎樣讓手更敏捷也是老問題。目前，機器人在抓取任務(wù)中的“遲鈍感”并不罕見。針對目前靈巧手反應(yīng)速度不足等問題，馬揚說，有時機器人反應(yīng)慢并非控制算法慢，而是電機響應(yīng)跟不上。

靈巧智能團隊在指尖區(qū)域加入電容式傳感器，通過無接觸感知提前識別物體位置，再精準施力完成抓取。周晨表示，單靠視覺進行抓取會增加時間延遲和失誤風(fēng)險?！耙曈X的反應(yīng)時間有200毫秒，等系統(tǒng)‘看到’并移動到目的位置時，瓶子可能已經(jīng)被碰倒了?！?/p>

還有一個是成本問題?！叭魏涡袠I(yè)都存在性能、成本、可靠性的不可能三角。”周晨說，如何取得三因素盡可能的平衡，是靈巧手機器人邁向消費者的一道坎。開模量產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計，都是平衡之道，但業(yè)界普遍認為，最重要的還是量產(chǎn)。隨著市場接受度不斷提升和產(chǎn)能持續(xù)擴大，靈巧手將逐步擺脫高昂成本的束縛，成為普羅大眾可以負擔(dān)的智能終端。

“靈巧手的成長過程，如同孩子學(xué)會用雙手探索世界：從胡亂抓撓到精準操作，從感知二維圖像到理解三維空間，再到逐步掌握使用餐具、剪紙乃至彈鋼琴。每一步都需感知、協(xié)調(diào)與不斷練習(xí)。”周晨表示，如今靈巧手正通過大規(guī)模任務(wù)訓(xùn)練和數(shù)據(jù)積累，優(yōu)化策略、完善感知、增強能力，這是讓機器人真正實現(xiàn)“心靈手巧”的關(guān)鍵。(實習(xí)生謝綿霞參與采寫)

編輯：范鐘秀