中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種可擰開(kāi)瓶蓋的機(jī)器人手臂。課題組供圖

　　打開(kāi)家里的一扇門(mén)、一個(gè)抽屜、一個(gè)瓶蓋，有多難？

這些人類的“舉手之勞”，卻是機(jī)器人攻不下的“堡壘”，其難度不亞于讓機(jī)器人下圍棋，傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手臂都無(wú)法做到。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳小平團(tuán)隊(duì)研發(fā)出全球首款柔性機(jī)器人手臂，可以開(kāi)門(mén)、開(kāi)抽屜，甚至擦玻璃、擰瓶蓋。相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)際機(jī)器人研究雜志》。

“這是一項(xiàng)突破性進(jìn)展，會(huì)極大地豐富機(jī)器人應(yīng)用，讓機(jī)器人更像活的人，而不是死的機(jī)器?！北本┐髷?shù)醫(yī)達(dá)科技有限公司CEO鄧侃評(píng)價(jià)道。

據(jù)了解，這項(xiàng)工作從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到提出原理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，前后持續(xù)了13年之久。

　　既能“繡花”又能“舉重”

一說(shuō)起機(jī)器人，人們腦海中浮現(xiàn)的往往是變形金剛那樣的形象。確實(shí)，傳統(tǒng)機(jī)器人都是剛性機(jī)器人，結(jié)實(shí)但笨拙，讓它們轉(zhuǎn)門(mén)把手就像讓張飛繡花。

這是由于剛性機(jī)器人的自由度由關(guān)節(jié)控制，一條手臂大約只有六七個(gè)自由度，而本項(xiàng)研究中的柔性手臂卻有幾十個(gè)自由度，根據(jù)使用需要還可以更多。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由蜂巢和氣囊結(jié)合形成。當(dāng)氣囊充氣時(shí)，依靠蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)形變，手臂可以靈活地沿各個(gè)方向彎曲和運(yùn)動(dòng)，從而完成許多靈巧動(dòng)作。由于氣囊的存在，手臂自重很輕，可采用3D打印技術(shù)制備，成本低廉、制備簡(jiǎn)單。

柔性手臂不僅靈活，力氣也很大。同傳統(tǒng)的硅膠材料不同，蜂巢結(jié)構(gòu)允許研究人員利用較硬材料，負(fù)載自重比達(dá)到1：1，使其既能“繡花”又能“舉重”。

此外，這條軟體手臂還有一項(xiàng)剛性機(jī)器人望塵莫及的技能——借助尺子畫(huà)出直線?！叭绻麢C(jī)器人能使用工具，將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。”陳小平告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

長(zhǎng)期從事人工智能研究的鄧侃指出，此項(xiàng)工作有3方面學(xué)術(shù)價(jià)值：第一，擯棄了機(jī)械手臂的傳統(tǒng)做法，用柔性材料取代剛性材料，是仿生學(xué)的巨大進(jìn)步；第二，選用蜂巢這種新型結(jié)構(gòu)，是材料及組織方式的巨大進(jìn)步；第三，改變了傳統(tǒng)機(jī)器人一體化的操作方式，將權(quán)力下放，各個(gè)關(guān)節(jié)都有自主決策權(quán)和自組織、自學(xué)習(xí)能力，是對(duì)機(jī)器人操作算法的全新探索。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)末端的柔性手爪探索較多，柔性手臂則未見(jiàn)報(bào)道。

對(duì)此，鄧侃表示，之前一些所謂的軟體手臂在他看來(lái)都是“偽軟”。比如著名的南非殘疾人運(yùn)動(dòng)員——“刀鋒戰(zhàn)士”，他的義肢采用彈簧鋼片仿生豹子后腿，具有一定彈性?！岸袊?guó)科大這項(xiàng)研究中的柔性手臂是‘真軟’，像象鼻或者蛇?！?/p>

陳小平表示，除了靈活運(yùn)動(dòng)，該手臂還能伸縮，更像章魚(yú)觸角。

　　13年仍未走到終點(diǎn)

這條手臂的故事要從13年前說(shuō)起。

2008年，中國(guó)科大機(jī)器人團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)家政服務(wù)機(jī)器人可佳，后來(lái)又開(kāi)發(fā)了情感機(jī)器人佳佳。可佳其貌不揚(yáng)，但是勤勞能干；佳佳則聰明漂亮、善解人意。兩者如果能合二為一，家政機(jī)器人就能上得廳堂，下得廚房。

但在研究過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的手是短板，極其不靈活。

2010年，哈佛大學(xué)首次做出硅膠軟體機(jī)器人。受此啟發(fā)，陳小平提出做氣動(dòng)軟體手臂。

經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研和多次失敗，直到2013年，他們才最終確定采用蜂巢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)軟體手臂。但是，一群不懂材料和制造的計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生們，如何能造出這樣一條現(xiàn)實(shí)世界中不存在的手臂？

“學(xué)生們確實(shí)糾結(jié)了很久，好在學(xué)生動(dòng)手能力比較強(qiáng)，他們找來(lái)各種材料實(shí)驗(yàn)，最后手工做出一條簡(jiǎn)陋但具有基本功能的軟體手臂?！标愋∑浇榻B說(shuō)。

同高精度控制的剛性機(jī)器人不同，軟體機(jī)器人即使充氣量一樣，每個(gè)氣囊的形變也可能不同，尤其是幾十個(gè)氣囊疊加起來(lái)非常復(fù)雜。至此，這項(xiàng)研究終于回歸到研究小組老本行——不確定性控制問(wèn)題。

此后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)新控制算法的長(zhǎng)期摸索。相關(guān)論文在2014年獲得國(guó)際機(jī)器人智能研討會(huì)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)——“大會(huì)最佳論文”獎(jiǎng)，同時(shí)還獲得了最有創(chuàng)意的“金鑰匙”獎(jiǎng)。

從發(fā)現(xiàn)剛性機(jī)器人難以克服的缺陷，到提出原理創(chuàng)新和完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，學(xué)生換了三茬，時(shí)間也悄然過(guò)去13年，但陳小平表示，工作并沒(méi)有結(jié)束。

“確定氣動(dòng)蜂巢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之后，我們一邊提出理論，一邊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，往往是實(shí)驗(yàn)走在前面?，F(xiàn)在面臨兩個(gè)任務(wù)，一是構(gòu)建出完整的抽象理論，二是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用?！?陳小平強(qiáng)調(diào)，“科學(xué)的理論不是自然語(yǔ)言能說(shuō)清楚的，一定要抽象為數(shù)學(xué)語(yǔ)言。”

論文第一作者姜皓在2014年加入團(tuán)隊(duì)時(shí)還是“小弟”，如今已經(jīng)成長(zhǎng)為軟體機(jī)器人研究小組組長(zhǎng)，從事本論文中涉及的研究已有3年時(shí)間。他認(rèn)為這3年時(shí)間花得值得，因?yàn)椤斑@一篇論文足以證明我們實(shí)驗(yàn)室的實(shí)力”，姜皓告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，畢業(yè)后將繼續(xù)留組做博士后，完成理論抽象的相關(guān)工作，“后面還有很大空間”。

陳小平則表示，做原始創(chuàng)新的一個(gè)直接表現(xiàn)就是論文發(fā)得少，“我常勸學(xué)生少寫(xiě)論文，但是也不能光靠思想工作，還是要帶著他們一起，一步一步克服困難，做出更高臺(tái)階的研究成果”。

　　讓機(jī)器走進(jìn)人心

機(jī)器人進(jìn)入家庭，最大的困難何在？

陳小平經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于環(huán)境的“非封閉性”，即人工智能無(wú)法有效處理場(chǎng)景中無(wú)盡的未知變?cè)?。比如，無(wú)人駕駛汽車在完全不受控的自然環(huán)境下自主駕駛、識(shí)別人的內(nèi)心想法，等等。

以AlphaGo為例，下棋時(shí)，不管對(duì)手是誰(shuí)，它每一步只選擇勝率最大的落子，第一步有362個(gè)選擇，第二步減少一個(gè)，每一步都選擇最優(yōu)，這就將一個(gè)原本非封閉的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)封閉性問(wèn)題。

然而，家庭是典型的非封閉環(huán)境，而且無(wú)法完全封閉化，因此AlphaGo的方法訓(xùn)練不出合格的家庭機(jī)器人。

“非封閉問(wèn)題是最復(fù)雜的人工智能問(wèn)題?！标愋∑秸f(shuō)。

在人類世界中，抓住門(mén)把手、向下壓、往后拉，門(mén)就開(kāi)了。而在機(jī)器的世界中，這些步驟變成了感知、建模、規(guī)劃、控制，任何一個(gè)環(huán)節(jié)不夠精確，都有可能失敗。也就是說(shuō)，剛性機(jī)器人對(duì)封閉性要求極高，甚至是“生人勿近”，碰上人為搗亂更是災(zāi)難性后果。

此前，陳小平團(tuán)隊(duì)曾讓剛性手臂的可佳機(jī)器人在有人搗亂的情況下成功使用微波爐，部分破解了非封閉問(wèn)題。

此次的軟體手臂，更是巧妙弱化了封閉性，在跟環(huán)境交互時(shí)，既不需要精確建模，也不需要精確感知。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，即使被人為搗亂，也能順利完成任務(wù)。

“1998年日立第一次做出爬樓機(jī)器人時(shí)，我們都覺(jué)得很驚艷，涉及到動(dòng)平衡的問(wèn)題?，F(xiàn)在波士頓動(dòng)力機(jī)器狗能蹦跳、翻身，看起來(lái)很炫目，但是本質(zhì)上和前者沒(méi)有太大區(qū)別。柔性手臂則不同，這種自組裝自學(xué)習(xí)的方式會(huì)讓機(jī)器人研究上一個(gè)大的臺(tái)階，應(yīng)用會(huì)多得多?！编囐┱f(shuō)。

民政部2018年的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)有4000萬(wàn)失能老人，但家庭服務(wù)員只有不到1700萬(wàn)，且缺口在不斷增大。填補(bǔ)這一缺口是陳小平研究家政機(jī)器人的初衷，如今離這一目標(biāo)更近一步，他說(shuō)：“技術(shù)的目標(biāo)就是要提高人類的福祉。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1177/0278364920979367

來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)