憧憬與機(jī)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(mèng)的口袋，而是機(jī)器人的核心零部件——智慧又不乏靈巧的“手”。如果機(jī)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(shí)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(yuǎn)超我們想象。也正因此，靈巧手被稱(chēng)作機(jī)器人進(jìn)入日常生活、成為我們真正助手的“最后一厘米”。讓機(jī)器人擁有一雙巧手，不僅是一道科學(xué)問(wèn)題、一個(gè)工程難題，也是一場(chǎng)創(chuàng)新者漫長(zhǎng)的遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)器官之一，盡管重量?jī)H占人體總重量的1/150，卻決定著全身逾半數(shù)運(yùn)動(dòng)功能的發(fā)揮。那么，與擁有21個(gè)自由度的人類(lèi)之手相比，機(jī)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(chǎng)流水線(xiàn)上的末端執(zhí)行器，如夾爪、吸盤(pán)、噴嘴、焊槍……不過(guò)，這樣的“手”還是專(zhuān)門(mén)為特定任務(wù)而生，適用場(chǎng)景相對(duì)單一，只能完成簡(jiǎn)單的抓取或固定操作。

然而，今天的機(jī)器人靈巧手足以讓人刮目相看。一般而言，其設(shè)計(jì)靈感源自對(duì)人類(lèi)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(lèi)手指的骨骼和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式。靈活地彎曲、伸展和轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)這雙靈巧手而言都不在話(huà)下，足以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體多角度、全方位的抓取乃至各類(lèi)操作，比如擰開(kāi)瓶蓋、捏取雞蛋、操控精密零部件等。

靈巧智能CEO周晨說(shuō)，就像人不只用眼來(lái)指揮手，靈巧手配置的觸覺(jué)傳感器和力傳感器，足以幫助機(jī)器人感受物體的形狀、大小、硬度、溫度……不必局限于視覺(jué)交互，這就能保障機(jī)器人的動(dòng)手能力邁上一個(gè)新臺(tái)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(xì)分為勾拉、側(cè)捏、動(dòng)態(tài)操作等8種。當(dāng)下的機(jī)器人，還掌握不了這么多“手法”。

賦予機(jī)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(shuō)來(lái)說(shuō)去，作為機(jī)器人擬人化的關(guān)鍵，機(jī)器人的靈巧手，到底該怎么研發(fā)？

“從仿生學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，機(jī)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(zhǎng)戴振東所言，人類(lèi)擁有骨骼和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，也有大腦和感知能力；機(jī)器人既需要具備本體結(jié)構(gòu)，也需要智能控制。“機(jī)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(kāi)探索，現(xiàn)在它們終于可以自然聯(lián)通起來(lái)。”

細(xì)究起來(lái)，機(jī)器人的一雙靈巧手，其實(shí)是一個(gè)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(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，發(fā)出協(xié)調(diào)指令；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于肌肉，為動(dòng)作提供動(dòng)力；傳動(dòng)系統(tǒng)如同筋腱，通過(guò)齒輪、連桿或鋼索將動(dòng)力精準(zhǔn)傳遞至指節(jié)。

“傳動(dòng)和感知是靈巧手最核心的技術(shù)點(diǎn)。”周晨說(shuō)，以感知系統(tǒng)為例，僅是“端起一杯咖啡”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作，靈巧手就需要判斷——多大的運(yùn)動(dòng)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(huì)將杯柄捏碎？這一系列動(dòng)作依賴(lài)視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)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(lèi)，希望得到的機(jī)器人幫手，自然是精細(xì)操作水準(zhǔn)越高越好——上得了手術(shù)臺(tái)縫針，下得了廢礦井清理危險(xiǎn)物。要想完成這么多任務(wù)，傳動(dòng)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(lái)，要給機(jī)器人一雙真正的靈巧手，科學(xué)家還要過(guò)幾關(guān)？

首先得把手做小。靈巧手的“靈”，來(lái)自更靈活的關(guān)節(jié)和更多的自由度，但每增加一個(gè)自由度，就需在手掌內(nèi)多嵌入一個(gè)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，這就使得今天我們見(jiàn)到的機(jī)器人往往有一雙大手。機(jī)器人上游企業(yè)他山科技CEO馬揚(yáng)說(shuō)，自由度越多，執(zhí)行端建模要面對(duì)的挑戰(zhàn)就越復(fù)雜。

當(dāng)前，特斯拉等企業(yè)采取的路線(xiàn)是通過(guò)模擬人類(lèi)身體，將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝入手臂來(lái)縮小手的尺寸；國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商則多通過(guò)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?yàn)樗鼘?duì)集成化的程度和要求更高。”因時(shí)機(jī)器人CMO房海南說(shuō)。

怎樣讓手更敏捷也是老問(wèn)題。目前，機(jī)器人在抓取任務(wù)中的“遲鈍感”并不罕見(jiàn)。針對(duì)目前靈巧手反應(yīng)速度不足等問(wèn)題，馬揚(yáng)說(shuō)，有時(shí)機(jī)器人反應(yīng)慢并非控制算法慢，而是電機(jī)響應(yīng)跟不上。

靈巧智能團(tuán)隊(duì)在指尖區(qū)域加入電容式傳感器，通過(guò)無(wú)接觸感知提前識(shí)別物體位置，再精準(zhǔn)施力完成抓取。周晨表示，單靠視覺(jué)進(jìn)行抓取會(huì)增加時(shí)間延遲和失誤風(fēng)險(xiǎn)。“視覺(jué)的反應(yīng)時(shí)間有200毫秒，等系統(tǒng)‘看到’并移動(dòng)到目的位置時(shí)，瓶子可能已經(jīng)被碰倒了。”

還有一個(gè)是成本問(wèn)題。“任何行業(yè)都存在性能、成本、可靠性的不可能三角。”周晨說(shuō)，如何取得三因素盡可能的平衡，是靈巧手機(jī)器人邁向消費(fèi)者的一道坎。開(kāi)模量產(chǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，都是平衡之道，但業(yè)界普遍認(rèn)為，最重要的還是量產(chǎn)。隨著市場(chǎng)接受度不斷提升和產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)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(fù)擔(dān)的智能終端。

“靈巧手的成長(zhǎng)過(guò)程，如同孩子學(xué)會(huì)用雙手探索世界：從胡亂抓撓到精準(zhǔn)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(guò)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(qiáng)能力，這是讓機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)“心靈手巧”的關(guān)鍵。（實(shí)習(xí)生謝綿霞參與采寫(xiě)）