科學家開發3D印表機械手 柔軟堪比人手還會彈奏簡單鋼琴曲

科學家開發了一種3D列印的機械手，只需移動手腕即可在鋼琴上彈奏簡單的音樂。雖然機器人不是藝術家，但它展示了複製人手的所有能力是多麼具有挑戰性，以及通過設計還可以實現多少複雜的運動。

由劍橋大學研究人員開發的機械手是通過3D列印軟質和剛性材料製成的，用於複製人手中的所有骨骼和韌帶 - 而不是肌肉或肌腱。儘管與人手相比，這限制了機械手的運動範圍，但研究人員發現依靠手的機械設計仍然可以實現令人驚訝的大範圍運動。

通過這種「被動」運動 - 手指不能獨立移動 - 機器人能夠模仿不同風格的鋼琴演奏，而不會改變手的材料或機械特性。《科學機器人》雜誌上，它將有助於設計出能夠更自然地運動、能耗最小的機器人。

動物和機器中的複雜運動源於大腦(或控制器)，環境和機械體之間的相互作用。系統的機械特性和設計對於智能功能非常重要，並且可以幫助動物和機器以複雜的方式移動而不會消耗不必要的能量。

「我們可以利用被動來實現機器人的廣泛運動：例如，步行、游泳或飛行，」該論文的第一作者劍橋工程系的Josie Hughes說。 「智能機械設計使我們能夠以最小的控制成本實現最大範圍的運動：我們想看看僅憑力學就能實現多大的運動。」

在過去幾年中，由於3D列印技術的進步，軟組件已經開始集成到機器人設計中，這使得研究人員能夠增加這些被動系統的複雜性。

人手非常複雜，在機器人中重現其所有的靈活性和適應性是一項巨大的研究挑戰。今天的大多數高級機器人都無法完成小孩子可以輕鬆完成的操作任務。

「這個項目的基本動機是了解具體的情報，即我們機械體的情報。」領導這項研究的Fumiya Iida博士說， 「我們的身體由智能機械設計組成，如骨骼、韌帶和皮膚，即使沒有主動的大腦控制，也能幫助我們智能地行動。通過使用最先進的3D列印技術，列印出像人類一樣柔軟的手，我們現在能夠在遠離主動控制的情況下探索物理設計的重要性，這對於人類鋼琴演奏者來說是不可能的，因為大腦不能像我們的機器人那樣被『關閉』。」

「鋼琴演奏是對這些被動系統的理想測試，因為它是一項複雜而細緻的挑戰，需要大量的行為來實現不同的演奏風格。」 Hughes說。

通過考慮機械、材料特性、環境和手腕驅動如何影響手的動態模型，機器人被"教會"演奏。通過驅動手腕，可以選擇手與鋼琴相互作用的方式，從而允許手的具體智能確定它與環境的交互。

研究人員編寫了機器人程序，通過手腕的運動實現了一些帶有斷續音或連奏音的短樂句。 「這只是目前的基礎情況，但即使採用這種單一動作，我們仍然可以獲得相當複雜和細緻入微的行為。」 Hughes說。

儘管機械手存在局限性，研究人員表示他們的方法將推動進一步研究骨骼動力學的基本原理，以實現複雜的運動任務，以及學習被動運動系統的局限性。

「這種機械設計方法可以改變我們構建機器人的方式。」Iida說，「製造方法使我們能夠以高度可擴展的方式設計機械智能結構。」

「我們可以擴展這項研究，以研究如何實現更複雜的操作任務：開發可以執行醫療程序或處理易碎物體的機器人。」 Hughes說，「這種方法還減少了控制手所需的機器學習量;通過開發內置智能的機械系統，它使機器人更容易學習控制。」

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