劍橋大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的機(jī)器人手由柔軟和剛性材料通過(guò)3D打印制成，用于復(fù)制人類手中的所有骨骼和韌帶——而不是肌肉或肌腱。盡管與人手相比，這限制了機(jī)器人手的運(yùn)動(dòng)范圍，但研究人員發(fā)現(xiàn)，依靠手的機(jī)械設(shè)計(jì)，仍然可以實(shí)現(xiàn)驚人的大范圍運(yùn)動(dòng)。
利用這種“被動(dòng)”運(yùn)動(dòng)——手指不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)——機(jī)器人可以模仿不同風(fēng)格的鋼琴演奏，而不改變手的材料或機(jī)械特性。《科學(xué)機(jī)器人》雜志報(bào)道的結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)出能夠以最少的能量更自然地移動(dòng)的機(jī)器人。
動(dòng)物和機(jī)器的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)源于大腦(或控制器)、環(huán)境和機(jī)械體之間的相互作用。系統(tǒng)的機(jī)械特性和設(shè)計(jì)對(duì)于智能功能非常重要，可以幫助動(dòng)物和機(jī)器以復(fù)雜的方式移動(dòng)，而不會(huì)消耗不必要的能量。
“我們可以利用被動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)廣泛的機(jī)器人運(yùn)動(dòng):例如，行走，游泳或飛行，”劍橋工程系的喬西·休斯說(shuō)，他是論文的第一作者。“智能機(jī)械設(shè)計(jì)使我們能夠以最小的控制成本實(shí)現(xiàn)最大的運(yùn)動(dòng)范圍:我們想看看機(jī)械師能獲得多大的運(yùn)動(dòng)。”
在過(guò)去的幾年中，由于3D打印技術(shù)的進(jìn)步，軟件組件被集成到機(jī)器人設(shè)計(jì)中，這使得研究人員能夠增加這些被動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
人類的手非常復(fù)雜，在機(jī)器人身上重現(xiàn)它們所有的靈活性和適應(yīng)性是一個(gè)很大的研究挑戰(zhàn)。現(xiàn)在的先進(jìn)機(jī)器人，大部分都無(wú)法完成孩子可以輕松完成的操作任務(wù)。
“這個(gè)項(xiàng)目的基本動(dòng)機(jī)是了解特定的信息，也就是我們機(jī)械體的信息，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的飯?zhí)镂膶m博士說(shuō)。“我們的身體是由智能機(jī)械設(shè)計(jì)組成的，如骨骼、韌帶和皮膚，即使沒(méi)有大腦的主動(dòng)控制，它們也可以幫助我們智能地行動(dòng)。通過(guò)使用最先進(jìn)的3D打印技術(shù)打印人類柔軟的手，我們現(xiàn)在可以探索物理設(shè)計(jì)的重要性，并將其與主動(dòng)控制隔離開(kāi)來(lái)，這對(duì)于人類鋼琴演奏者來(lái)說(shuō)是不可能的。大腦不可能像我們的機(jī)器人一樣被關(guān)掉。”
休斯說(shuō):“鋼琴演奏是對(duì)這些被動(dòng)系統(tǒng)的理想測(cè)試，因?yàn)檫@是一個(gè)復(fù)雜而微妙的挑戰(zhàn)，需要很多行為來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的演奏風(fēng)格。”
通過(guò)考慮機(jī)械、材料屬性、環(huán)境和手腕運(yùn)動(dòng)如何影響手的動(dòng)態(tài)模型來(lái)教會(huì)機(jī)器人玩耍。通過(guò)驅(qū)動(dòng)手腕，可以選擇手和鋼琴之間的交互方式，允許手的特定智能決定其與環(huán)境的交互。
研究人員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了編程，通過(guò)手腕的運(yùn)動(dòng)播放短片(斷奏)或流暢(連奏)的音符。“這在當(dāng)時(shí)只是基礎(chǔ)知識(shí)，但即使是這個(gè)單一的動(dòng)作，我們?nèi)匀豢梢垣@得相當(dāng)復(fù)雜和微妙的行為，”休斯說(shuō)。
盡管機(jī)器人手存在局限性，但研究人員表示，他們的方法將進(jìn)一步研究骨骼動(dòng)力學(xué)的基本原理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并學(xué)習(xí)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的局限性。
“這種機(jī)械設(shè)計(jì)方法可以改變我們制造機(jī)器人的方式，”Iida說(shuō)。“制造方法使我們能夠以高度可擴(kuò)展的方式設(shè)計(jì)機(jī)械智能結(jié)構(gòu)。”
“我們可以擴(kuò)展這項(xiàng)研究，以研究如何實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作任務(wù):開(kāi)發(fā)可以執(zhí)行醫(yī)療程序或處理易碎物品的機(jī)器人，”休斯說(shuō)。“這種方法還減少了控制手所需的機(jī)器學(xué)習(xí)量；通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)內(nèi)置智能的機(jī)械系統(tǒng)，讓機(jī)器人更容易學(xué)會(huì)控制。