蛇年春節(jié)，有兩件事兒讓在家過(guò)年的北京大學(xué)人工智能研究院助理教授朱毅鑫喜上眉梢：一是DeepSeek異軍突起；二是他們圣誕節(jié)前投出的“靈巧手”的論文早早收到了審稿意見(jiàn)，出人意料地順利。
審稿人也不吝給出高度評(píng)價(jià)：“這一成果對(duì)機(jī)器人和整個(gè)人機(jī)交互領(lǐng)域都有著重要貢獻(xiàn)?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
“穩(wěn)了?！敝煲泠涡南?，這項(xiàng)蟄伏3年多的研究終于要亮相了。
他們干得是一件頂難的事兒：讓機(jī)器人擁有一雙無(wú)需人為操縱、又能像人手那樣擁有靈活操作能力的手。朱毅鑫告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“（機(jī)械手）能像人手一樣在不確定環(huán)境中保持高效靈活的操作能力，這對(duì)機(jī)器人在家庭、醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
6月9日，朱毅鑫團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)武漢人工智能研究院、北京通用人工智能研究院、北京大學(xué)工學(xué)院和倫敦瑪麗皇后大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作的這項(xiàng)成果——“高分辨率觸覺(jué)感知機(jī)器手實(shí)現(xiàn)類人適應(yīng)性抓取”，在線發(fā)表于《自然—機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）。
朱毅鑫（右1站立者）、趙秭杭（左一）、李宇飏（左二）在受訪中。趙廣立 攝
靈感就來(lái)源于人手
如果在手指涂上可以阻斷觸覺(jué)的麻藥，你會(huì)發(fā)現(xiàn)連拿起水杯這樣簡(jiǎn)單的操作，都變得異常困難。
“日常手部的動(dòng)作之所以感覺(jué)很簡(jiǎn)單，是因?yàn)閺?qiáng)烈依賴了觸覺(jué)?！敝煲泠胃嬖V記者，人的手部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能也極為精密，由27塊骨骼和34塊肌肉組成，提供了24個(gè)自由度的靈活性，“因此，對(duì)人類手部功能的研究是具身智能與機(jī)器人學(xué)科研的前沿。”
在拿取物體時(shí)，人手會(huì)發(fā)揮“觸覺(jué)反饋”和“運(yùn)動(dòng)功能”兩大能力：觸覺(jué)反饋包含通過(guò)肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)感知力量的運(yùn)動(dòng)覺(jué)，以及通過(guò)皮膚感知接觸狀態(tài)、紋理、溫度、摩擦力等物理特性的皮膚觸覺(jué)；而運(yùn)動(dòng)功能則蘊(yùn)含著與關(guān)節(jié)角度、位置及其運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系的運(yùn)動(dòng)學(xué)，以及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制的動(dòng)力學(xué)。
既然手部的觸覺(jué)如此重要，那何不讓機(jī)器手既有運(yùn)動(dòng)能力、又有觸覺(jué)？
他們不是第一個(gè)想到這些的。但在以往的研究中，觸覺(jué)反饋與運(yùn)動(dòng)能力的整合，一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的重大挑戰(zhàn)。
一來(lái)，觸覺(jué)傳感器的引入，會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性造成顯著影響；二來(lái)，即便獲得了具備高分辨率觸覺(jué)感知能力的機(jī)械手，如何高效地處理大量觸覺(jué)數(shù)據(jù)，并以此驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)、使其在高自由度空間中像人手一樣完成抓取等任務(wù)，同樣是個(gè)“攔路虎”。
這也正是研究團(tuán)隊(duì)“秀操作”的部分。
朱毅鑫告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，受啟發(fā)于人類手部的生物結(jié)構(gòu)，他們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了“基于全手觸覺(jué)的機(jī)器人仿生手”（F-TAC Hand），簡(jiǎn)稱其為“全觸手”。全觸手的過(guò)人之處，就在于它通過(guò)傳感器與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)“成功突破了這一瓶頸”。
全觸手，它有哪些精巧的設(shè)計(jì)？
全觸手。課題組供圖
巧思妙想讓機(jī)械手“有觸覺(jué)并自適應(yīng)抓取”
簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，人類手部觸覺(jué)系統(tǒng)由兩個(gè)關(guān)鍵要素組成——遍布皮膚的密集觸覺(jué)傳感器陣列和大腦皮層中專門(mén)處理和解釋這些海量感知輸入的神經(jīng)處理機(jī)制。
“我們的全觸手模擬了這種設(shè)計(jì)?！闭撐牡谝蛔髡?、北京大學(xué)人工智能研究院博士生趙秭杭向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹說(shuō)，他們將17個(gè)高分辨率觸覺(jué)傳感器、以6種不同配置集成在一起，并將其覆蓋在五指機(jī)械手除“關(guān)節(jié)”外所有的區(qū)域，讓機(jī)械手擁有了能感知物體大小、硬度等物理性質(zhì)的指尖、指腹和手掌。
趙秭杭說(shuō)，高分辨率觸覺(jué)傳感器覆蓋了機(jī)器人手掌表面70%的區(qū)域，空間分辨率達(dá)到0.1毫米，“相當(dāng)于每平方厘米約有一萬(wàn)個(gè)觸覺(jué)像素，讓機(jī)器人也能進(jìn)行精確操作和適應(yīng)性抓取”。
F-TAC Hand與人手比較。課題組供圖
那么，機(jī)械手的適應(yīng)性抓取能力，是從哪兒冒出來(lái)的？
秘密藏在細(xì)節(jié)里。朱毅鑫告訴記者，團(tuán)隊(duì)在每個(gè)觸覺(jué)傳感器前都放置有一層薄膜和一臺(tái)微型高速攝像機(jī)，這讓其能“看到”動(dòng)作的細(xì)微變化——當(dāng)機(jī)械手能“看到”自己的操作，它也就能根據(jù)情況調(diào)整自己的抓取策略。
當(dāng)然離不開(kāi)算法的助攻。論文共同第一作者、一年級(jí)博士生的李宇飏向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋道，他們基于概率模型開(kāi)發(fā)了一種生成人類多樣化抓取策略的算法，涵蓋了人類常見(jiàn)的19種抓取類型。在抓取生成算法的加持下，機(jī)械手就像擁有了一個(gè)包含多樣化策略的“說(shuō)明書(shū)”，為它提供了豐富的抓取選擇。
“除了夾持單一物體外，全觸手還能通過(guò)全手高分辨率觸覺(jué)，提前預(yù)判多物體抓取時(shí)因執(zhí)行誤差導(dǎo)致的物體碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)策略?！崩钣铒r說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中檢測(cè)到此類風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，全觸手能在約100毫秒內(nèi)感知情況并快速切換到替代策略。
“我們的算法支持了全觸手熟練地執(zhí)行從常用的‘力量抓取’到‘更精細(xì)的精準(zhǔn)抓取’等多種抓取動(dòng)作類型?！崩钣铒r對(duì)記者表示。
值得一提的是，在整體設(shè)計(jì)中，還有一個(gè)巧妙構(gòu)思貫穿其中：他們將傳感器設(shè)計(jì)為“既是感知元件又是結(jié)構(gòu)部件”，從而在不犧牲靈活性的前提下，實(shí)現(xiàn)了前所未有的觸覺(jué)覆蓋范圍。趙秭杭告訴記者，所有的這些設(shè)計(jì)保障了全觸手能夠像人類手掌一樣，在抓取過(guò)程中實(shí)時(shí)感知接觸變化并迅速調(diào)整，將極大提升機(jī)械手在不確定環(huán)境中的操作穩(wěn)定性。
據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，在600次真實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，相比沒(méi)有觸覺(jué)反饋的系統(tǒng)，全觸手的多物體抓取平均成功率從53.5%提升至了100%。
F-TAC Hand 抓握兩個(gè)物體。課題組供圖
F-TAC Hand實(shí)時(shí)高分辨觸覺(jué)感知能力。課題組供圖
圣誕節(jié)加急送審
據(jù)了解，朱毅鑫團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)成果是有研究記錄以來(lái)，國(guó)際上首個(gè)同時(shí)具備全手高分辨率觸覺(jué)感知和完整運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人手系統(tǒng)。
或許也正因如此，以該成果為主體的論文審閱速度之快，超出了朱毅鑫的想象。
時(shí)針撥回到2024年12月16日，朱毅鑫點(diǎn)下郵件的發(fā)送鍵。原以為能輕松一陣，沒(méi)想到不久后他們就收到回復(fù)：“論文已被送審”。
“因?yàn)閯偳哨s在西方圣誕節(jié)前夕，我們預(yù)計(jì)圣誕節(jié)后才會(huì)送審，沒(méi)想到論文被加急送審，圣誕節(jié)前就收到了送審消息?！敝煲泠芜吙谒氵呎f(shuō)：“去掉兩個(gè)假期，相當(dāng)于130天論文就確定被接收了?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
朱毅鑫認(rèn)為，他們的研究不僅是技術(shù)上的突破，更為理解智能的本質(zhì)提供了全新視角。
“人類智能深植根于身體的感知能力，尤其是手部的觸覺(jué)體驗(yàn)對(duì)我們認(rèn)知世界至關(guān)重要?！敝煲泠握f(shuō)，“全觸手的成果表明，豐富的感知能力對(duì)于機(jī)器智能的發(fā)展同樣不可或缺?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
近年來(lái)，以大語(yǔ)言模型為代表的基于數(shù)據(jù)訓(xùn)練和推理的人工智能取得了顯著進(jìn)步，但在真實(shí)世界中，機(jī)器人的感知和交互能力還存在諸多不足。
“我一直有一個(gè)目標(biāo)，就是想讓機(jī)器人變得更智能，更泛化。”趙秭杭告訴記者，他從小就對(duì)機(jī)器人有著濃厚興趣，本科的機(jī)電工程專業(yè)又為其打下良好的基礎(chǔ)，“我一直在思考如何提高機(jī)器人的交互能力，要想實(shí)現(xiàn)和物體、環(huán)境的交互，至少需要一個(gè)閉環(huán)的反饋系統(tǒng)，而觸覺(jué)就提供了機(jī)器人與物體交互狀態(tài)的直接反饋?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
但要把想法變成現(xiàn)實(shí)，注定要蛻幾層皮、遭幾遭罪。趙秭杭分享了一個(gè)小“事故”：疫情期間，研究進(jìn)度一度擱置，一件小事就釀成大禍——實(shí)驗(yàn)室沒(méi)人開(kāi)空調(diào)，零下十幾度的天氣直接凍裂了傳感器……
這倒沒(méi)太打擊到他：“我喜歡做機(jī)械設(shè)計(jì)，也相信盡管有困難，但只要按預(yù)期一點(diǎn)點(diǎn)地推進(jìn)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
本科畢業(yè)于清華“通班”的李宇飏，有一頂聰明的腦袋和一種隨時(shí)“自洽”的人生態(tài)度。他在通班與導(dǎo)師朱毅鑫結(jié)緣，畢業(yè)后就跟著后者攻讀博士學(xué)位，主攻機(jī)器人和三維視覺(jué)領(lǐng)域。選擇做科研，他只有一句話：
“也許到不了‘無(wú)人之境’，但我要出發(fā)了。”
李宇飏是那種性格比較內(nèi)向、喜歡享受獨(dú)處的人，他自認(rèn)自己是“情緒穩(wěn)定的卡皮巴拉”。做全觸手這項(xiàng)課題，他覺(jué)得這是一件很酷的事：“以機(jī)器人手用筷子為例，我希望未來(lái)它不僅能抓住一雙筷子，更能用筷子夾起其他物體，相當(dāng)于機(jī)器手能使用工具進(jìn)行抓取，這就很酷?！?span style="display:none">DWn即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
朱毅鑫一直說(shuō)，這項(xiàng)成果基于以往的科研積累、從過(guò)去4年的開(kāi)發(fā)而來(lái)，但他覺(jué)得它代表著機(jī)器人乃至通用人工智能的未來(lái)。
“未來(lái)我們將繼續(xù)深化觸覺(jué)感知與機(jī)器人控制的結(jié)合，探索更加智能的體感交互范式，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的通用人工智能奠定基礎(chǔ)。”朱毅鑫說(shuō)。
記者順便問(wèn)了一下，朱毅鑫課題組團(tuán)隊(duì)成員平均年齡只有不到25歲。那沒(méi)錯(cuò)了，他們代表著未來(lái)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s42256-025-01053-3
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