半月談記者 張漫子
憧憬與機械人共同生活的人們很難不去幻想這樣一幕：回到家後，餐桌上已擺好想吃的飯菜、換下的衣物已經洗凈烘乾並收納整齊。完成這一切的，不是哆啦a夢的口袋，而是機械人的核心零部件——智慧又不乏靈巧的「手」。如果機械人真的有一雙「人手」一樣的靈巧手，我們的生活該有多麼輕鬆愜意！然而現實中，靈巧手的製造談何容易。
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像。也正因此，靈巧手被稱作機械人進入日常生活、成為我們真正助手的「最後一厘米」。讓機械人擁有一雙巧手，不僅是一道科學問題、一個工程難題，也是一場創新者漫長的遠途。
靈巧手多靈巧？
手是人體最靈活複雜的器官之一，也是我們使用頻率最高的運動器官之一，儘管重量僅占人體總重量的1/150，卻決定着全身逾半數運動功能的發揮。那麼，與擁有21個自由度的人類之手相比，機械人的靈巧手，現在發展到什麼地步了？
靈巧手的雛形，就是工廠流水線上的末端執行器，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，今天的機械人靈巧手足以讓人刮目相看。一般而言，其設計靈感源自對人類手部更為完整的理解，能夠藉由器件相當精密地模擬人類手指的骨骼和關節的運動方式。靈活地彎曲、伸展和轉動，對這雙靈巧手而言都不在話下，足以實現對物體多角度、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，足以幫助機械人感受物體的形狀、大小、硬度、溫度……不必局限於視覺交互，這就能保障機械人的動手能力邁上一個新台階。
當然，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、側捏、動態操作等8種。當下的機械人，還掌握不了這麼多「手法」。
賦予機械人一雙巧手，我們正站在一條希望之路的出發處。
如何研發靈巧手？
說來說去，作為機械人擬人化的關鍵，機械人的靈巧手，到底該怎麼研發？
「從仿生學的角度來說，機械人和人工智能本是一體兩面。」如南京航空航天大學教授、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，也有大腦和感知能力；機械人既需要具備本體結構，也需要智能控制。「機械人學的初始階段，限於技術條件，我們只能將兩部分分開探索，現在它們終於可以自然聯通起來。」
細究起來，機械人的一雙靈巧手，其實是一個由四部分構成的系統：傳感器系統相當於皮膚與神經末梢，感知接觸狀態、力度變化與空間位置；控制系統則充當「大腦」，依託算法實時分析數據，發出協調指令；驅動系統相當於肌肉，為動作提供動力；傳動系統如同筋腱，通過齒輪、連桿或鋼索將動力精準傳遞至指節。
「傳動和感知是靈巧手最核心的技術點。」周晨說，以感知系統為例，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、但又不至於碰翻它？施加多大的力度可以握穩陶瓷杯身又不會將杯柄捏碎？這一系列動作依賴視覺、觸覺、力覺等多模態感知系統的協同配合。
現如今，追求品質生活的人類，希望得到的機械人幫手，自然是精細操作水準越高越好——上得了手術台縫針，下得了廢礦井清理危險物。要想完成這麼多任務，傳動與感知在靈巧手研發中的重要性，也就不言而喻了。
哪些關卡，還在攔路？
接下來，要給機械人一雙真正的靈巧手，科學家還要過幾關？
首先得把手做小。靈巧手的「靈」，來自更靈活的關節和更多的自由度，但每增加一個自由度，就需在手掌內多嵌入一個對應的驅動器，這就使得今天我們見到的機械人往往有一雙大手。機械人上游企業他山科技ceo馬揚說，自由度越多，執行端建模要面對的挑戰就越複雜。
當前，特斯拉等企業採取的路線是通過模擬人類身體，將驅動系統裝入手臂來縮小手的尺寸；國內廠商則多通過優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。」因時機械人cmo房海南說。
怎樣讓手更敏捷也是老問題。目前，機械人在抓取任務中的「遲鈍感」並不罕見。針對目前靈巧手反應速度不足等問題，馬揚說，有時機械人反應慢並非控制算法慢，而是電機響應跟不上。
靈巧智能團隊在指尖區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險。「視覺的反應時間有200毫秒，等系統『看到』並移動到目的位置時，瓶子可能已經被碰倒了。」
還有一個是成本問題。「任何行業都存在性能、成本、可靠性的不可能三角。」周晨說，如何取得三因素儘可能的平衡，是靈巧手機械人邁向消費者的一道坎。開模量產、優化設計，都是平衡之道，但業界普遍認為，最重要的還是量產。隨着市場接受度不斷提升和產能持續擴大，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的智能終端。
「靈巧手的成長過程，如同孩子學會用雙手探索世界：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、協調與不斷練習。」周晨表示，如今靈巧手正通過大規模任務訓練和數據積累，優化策略、完善感知、增強能力，這是讓機械人真正實現「心靈手巧」的關鍵。（實習生謝綿霞參與采寫）
來源：新華網
