想拥有一双天行者卢克的机器手？我们分析了它的研发进展

【网易智能讯 5月24日消息】1937年，机器人业余爱好者“比尔格里菲斯·泰勒（Griffith P.Taylor）发明了世界上第一个工业机器人。这是一种非常粗糙的机器，被它的创造者称为“Robot Gargantua。

这种类似于起重机的装置由一个电动马达驱动，通过一根穿孔纸带控制的开关控制着机器的五个运动轴。尽管如此，它还是可以利用预先设定的模式来堆叠木块，英国月刊杂志《Meccano Magazine》赞誉它为“未来的美好事物”，依赖于建筑师和工程师，人类将来甚至没有必要继续参加劳动。

自那以后的80年里，Robot Gargantua的后代已经彻底改变了我们的工作方式。它们现在是农业、汽车、建筑、采矿、运输和材料处理的主要劳力。根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics）给出的数据，美国为每1万名制造业员工配备了152台机器人，尽管这个数据落后于韩国的437台、日本的323台以及德国的282台。

在过去的20年里，这种推动自动化的努力帮助美国制造业产出增长了近40%，相当于每年增加价值2.4万亿美元。即使在2000年至2010年期间，制造业岗位流失了560万个，其中只有15%是国际贸易的结果，但美国的制造业却比以往任何时候生产出的产品更多（产品价值也更高）。

可是虽然这些机器的效率很高，但它们仍然不能拿起一支蜡烛（从字面上来说），也不具备像人类那样的灵巧、灵敏和感知能力。以汽车制造生产线上的工业机器人为例，他们的工作几乎就是完成粗糙的组装工作，将车身面板固定起来，喷漆和焊接，而最终的组装任务，比如布线和安装内部嵌板则会落到更灵巧的人身上。

但是，如果这些勤劳的机器人能够完成目前只能由人类完成的任务呢？如果我们能设计出与生物同样好的机器人手呢？世界各地的许多研究人员正打算这么做。阻碍创造真正类似人手的机器人手的主要挑战可以分为三个不同的部分：手的灵巧和力量、手的灵敏度以及支配手的系统。

当涉及到机器人手时，灵巧决定了它能轻易地操控周围的物体。同样，“感觉”涉及到手对刺激的反应有多灵敏，握力能确保机器人能抓住任何想要抓住的东西而不会将其压碎。如果整个系统要有效地工作，这三种能力必须协调一致。耶鲁大学的研究人员表示，人手的灵巧性，特别是可感知的拇指，对人类进化和认知能力的影响几乎和人类认知能力一样重要，并可能给机器人类带来同样的好处。

然而，提供堪比人类同样灵活和适应性的机械钳子非常困难和昂贵，这就是为什么目前的绝大多数机器人操纵器仍在使用双叉钳系统，或者通常只能从事一项高度专业化的特殊任务。桑迪亚实验室的机器人专家杰森·惠勒（Jason Wheeler）帮助开发国际空间站上Robonaut 2的手，他说：“你可以买到一个相对简单的，价格便宜的钳子，或者你可以用一个非常灵巧的手来完成两倍数量级的工作。两者之间并没有太多的选择。”

有许多工程方面的限制，阻碍了真正灵巧的机器人手的出现。首先，现代致动器，即激活手指张开或握紧的部件仍然昂贵，而且常常让人望而却步。这就限制了机器手所能拥有的自由度（DoF）。人类的手共有27个DoF：每个手指中有4个，拇指上有5个，手腕上还有6个。正如惠勒所指出的，如果你想要在机器人手上实现27个DoF，你就需要27个独立的致动器，也需要一个地方来放置它们。他解释说：“人类手部的大部分肌肉都在前臂上，所以如果你正在设计一个前臂，你可以把大部分的执行器放在上面。”

更重要的是，惠勒还说，“人类肌肉的力量和力的密度仍然比我们用电磁致动器所能做的要快，所以手的大小和重量，以及力量和扭力都是有限的，因为我们没有能够与人类肌肉相匹配的致动器。”简单地说，机器手的灵活性越大，它就越脆弱，因为我们无法将足够的力量带入与人类肌肉能够产生同样力量的空间中。另外，你在机器手中加入的组件越多，它们磨损得就越严重，失败的几率也越大。

尽管面临这些挑战，一些公共和私人研究机构正在努力提高机器人手的力量和灵敏度。桑迪亚机器人手出自桑迪亚国家实验室，后者是美国国防部下属秘密研发机构Darpa“革命性假肢”项目的重要组成部分。它最初是为简易爆炸装置的处理技术人员设计的，这样他们就不用穿上先进的炸弹服，并把自己置于危险之中。

在这种情况下，拟人化功能是一个关键的设计点，因为机器人手必须在一个混乱的现实环境中运行，而不是在汽车生产线或仓库里。惠勒解释说：“因为这些任务的数量和多样性所致，它们通常都是由人类完成的事情，所以拟人化的手非常有意义。”

但即使拥有高度的熟练度，如果它们没有触觉的话，机器人手也无法达到与生物相同的水平。人类手上大约拥有1.7万个神经，使它不仅能识别物体的物理触感，还能立即感知物体的重量、硬度、形状、温度和质地。

机器人初创企业Syntouch联合创始人兼首席执行官杰拉尔德·洛埃布（Gerald Loeb）说：“你的手能感觉到的是，当你抚摸物体时手指会变形，手指的变化会让你的手弯曲和滚动，而接触点就像一个物体的曲面那样。 通过手和物体之间的交流，你还可以知道它的热度。”

我们的触觉能让杯子从我们的手中滑落并收紧时，指示我们握住它，而又不会挤压到足以粉碎它的地步。俄勒冈州立大学的拉维·巴拉苏布拉马尼亚（Ravi Balasubramanian）在最近接受采访中解释说，人手与机器人手截然不同。他说：“即使机器人手上有10或20个传感器，当它与外界互动时，设计师也会非常紧张。”

DARPA 2006年尝试开发更实用的假肢，导致这种在实验室条件之外进行操作的担忧更高。这个项目被称为“革命化假肢”，它实际上是为了开发类似“天行者卢克（Luke Skywalker）”那样的机器手。洛埃布解释说，DARPA强调称，目前的机器人技术和科幻小说中的“可能”技术存在区别，但从本质上来说，机器人手应该能做人手能做的所有事情。问题在于，10年前，这些艺术品的状态仍然相当粗糙。洛埃布说：“它们不仅提供了粗略的信息，也会提供错误的信息。”

在DARPA项目中使用的早期触控传感器主要用于测量力和轮廓，顾名思义，它可以在物体物理表面上绘制出大致轮廓。这与利用大头针在艺术印象板上创作效果相似。洛埃布打趣说：“这很有趣，但实际上并不是人手所做的。”因此，洛埃布和他的同事们已经着手解决这项挑战，即从单一的设备中获得所有感官信息，而这个设备的大小和手指差不多，而且在现实世界中使用足够强大。

其结果是名为BioTac tocca的专有系统由此诞生。BioTac的硬件是一种拟人化的机械手指，所有的触觉传感器都嵌在骨头的位置，并被弹性的皮肤所包围。这种装置的美妙之处就在于，它的外部皮肤可以轻易地更换，而不用更换传感器，这使得它比其他类似的系统更耐用。

由BioTac产生的原始数据被Syntouch推出的软件Syntouch Standard解读，后者与传统的RGB标准很像，但对触觉数据来说却很重要。洛埃布解释说：“开发一些可量化的触摸维度，让我们可以量化每一个关键的元素，这些元素构成了某种东西的感觉。”这些标准可测量15个指标，从粗糙度到抗热冷却再到粘着力等。虽然这听起来像是科幻小说，但该公司已经将其触觉传感器整合到假肢中。洛埃布说：“我们Syntouch始终专注于反射回路。”这个过程包括拿起一个杯子，抓起手机而不把它压碎等，所有你做的事情都不需要积极思考。

在国会定向医疗项目（Congressional Directed Medical Program）的资助下，Syntouch开发了这些反射性的子程序，把它们放在给退伍老兵们提供的假肢上，这些老兵可在现实世界的情况下试用，然后再长期保持手臂。洛埃布说：“我们在我们的设施上初步试验表明，截肢者对拥有可靠的控制能力反应很强烈。这种设备很方便，不会分散他们的注意力，而且他们真的很开心。”

事实证明，训练人工双手做出反射性反应的能力依然是一个难以克服的难题。巴拉苏布拉马尼亚说：“如果你拿着一个杯子，它开始向下滑动，我们不知道如何在机器人手上模仿它。”这是开发类人机器人手过程中遇到的更大障碍：我们普遍无法控制它们，特别是当它们被用作假肢的时候。

对于纯粹的机器人应用程序来说，命令和控制都相当简单。如果你想让手拥有一定数量的自由度，执行一个灵巧的任务或者加入传感器反馈数据，你只需要增加控制它的电脑处理能力即可。即使在物理空间应用中，高带宽反馈或计算能力受到限制，也有技术解决方案。

例如，在国际空间站服役的Robonaut 2“驱动力不足”，也就是说，它的关节比它能主动控制的更多。通过将这些额外的关节与预先编程的规则相结合，它的手可以在不增加处理负担的情况下提高它们的相对灵敏度。不过，正如惠勒所指出的那样：“除非你有一种非常好的、聪明的方法来控制它们，否则每根手指都能增加三到四个自由度，这并没有什么价值。”

因此，对于大多数应用程序来说，要想使用更细微的自由度用于非常精细的任务，目前我们还没有这种能力。而对于需要高层次灵巧性控制的任务，像Shadow Robot的“网络手套”这样的远程操作系统可以远程控制机器手。它使用动作捕捉技术来精确模拟用户的手部动作，并将这些指令传递给手部。

不幸的是，在使用机械手臂作为假肢的时候，这两种方法目前都不可行。慧勒解释道：“使用假手的最大问题就是控制。现在，几乎没有感官反馈。最多只能有两到三个控制渠道。”惠勒解释说，这是最大的限制因素。他说：“你如何得到指令信号和感觉反馈信息的？”

这就是神经接口出现的原因。最近几周，伊隆·马斯克（Elon Musk）始终占据着头条新闻。他正在推销部分脑机接口（BMI）技术，当它在未来四到五年内被推出时，可以用来治疗帕金森病、抑郁症和癫痫。然而，他并不是第一个致力于弥合机器人硬件与人类头骨之间存在的生物计算机鸿沟的人。事实上，过去20年来，在连接神经接口和假肢方面已经取得很多重大进展。

2015年，来自EPFL的研究人员发明了e-Dura，这是一种可植入的“桥”，它可以跨越病人脊髓的切断点。2016年11月，布朗大学的工程学副教授大卫·波顿（David Borton）在一份新闻声明中说，EPFL在这个设计中改进了一种无线版本，该版本“利用大脑运动皮层记录信号，触发负责运动机制的脊椎神经协调电刺激”。这与加州大学欧文分校研究小组的系统非常相似，该系统曾用于部分恢复瘫痪病人的行走能力。就在上个星期，荷兰Radboud UMC的研究人员将一个蓝牙连接连接到被截肢者的手臂上，创造出世界上第一个“点击”假肢。

但是现在还不要为此感到兴奋，至少目前还不要。尽管机器人手的制造技术和先进的感官能力正开始让这些设备与人类器官处于同等地位，但将它们融入生物系统并无缝控制它们的能力仍处于初级阶段。尽管“天行者卢克”的机器手已经成为了科幻小说宇宙中的基石，但自这部电影公映以来，它并没有在几十年内成为科学现实的一部分。（英文来源/engadget，编译/机器小易，校对/小小）