我們都體會(huì)過(guò)解開(kāi)纏在一起的耳機(jī)線時(shí)的煩躁感。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，想要靈活操控繩索、金屬絲或電線之類的細(xì)小而柔軟的物體并不是一件容易的事情。

如果這種問(wèn)題對(duì)人類來(lái)說(shuō)很難解決，那么對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)更是難上加難。當(dāng)容易形變的電線在機(jī)器人手指間滑動(dòng)時(shí)，其形狀變化難以判斷，機(jī)器手必須不斷地檢測(cè)和調(diào)整相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控。

傳統(tǒng)方法是用一系列機(jī)械固定裝置來(lái)完成工作，笨重且緩慢。最近，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，發(fā)明了一種新方法，使機(jī)器手的工作方式更靈巧，也更接近人類手（指）的工作原理，這項(xiàng)研究成果還獲得了機(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)會(huì)議 RSS 2020 的 “最佳論文” 提名。

圖 | 兩只機(jī)械手臂在工作

研究人員來(lái)自 MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）和機(jī)械工程系。他們制造了兩只帶有利用高精度觸覺(jué)傳感器的機(jī)器手。在抓住電線時(shí)，它們可以感知非常細(xì)微的力度和方向變化——人類手指就是這樣——繼而調(diào)整抓取方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電線的自由操控，甚至可以把耳機(jī)插進(jìn)手機(jī)中。

該系統(tǒng)未來(lái)有望用于工業(yè)環(huán)境和家務(wù)工作中。靈活的機(jī)器手可以幫我們打繩結(jié)，鋪床單，纏繞金屬絲或電線，甚至是進(jìn)行整形和外科縫合手術(shù)。

抓取和跟隨電線移動(dòng)聽(tīng)起來(lái)似乎不難，但實(shí)際上非常有挑戰(zhàn)性。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)首先需要有穩(wěn)定控制的 “姿勢(shì)” 和“抓力”——既要有力，保證電線不會(huì)掉下來(lái)，也不能力度太大，不然抓手無(wú)法平穩(wěn)滑動(dòng)，而且還要以正確的姿勢(shì)移動(dòng)，否則彎曲或運(yùn)動(dòng)的電線很容易滑落。

MIT 研究小組首先確定了機(jī)器手的組成部分：一條可以移動(dòng)的機(jī)械臂和一個(gè)兩根手指的抓爪。機(jī)械臂可以作為控制系統(tǒng)的一部分移動(dòng)，一端安裝抓爪。爪子必須質(zhì)地輕巧且移動(dòng)迅速，可以實(shí)時(shí)地靈活調(diào)整抓取力度和位置。

在連續(xù)運(yùn)動(dòng)期間，這些信息很難從常規(guī)的視覺(jué)系統(tǒng)中捕獲，因?yàn)樽ナ謺?huì)遮擋電線。即使有辦法推理電線的狀態(tài)，也會(huì)有延遲和誤差，無(wú)法快速運(yùn)行。更主要的是，“抓力”這樣的信息是無(wú)法從視覺(jué)傳感器中獲得的。因此團(tuán)隊(duì)最終選擇了觸覺(jué)傳感器。

圖 | 觸覺(jué)傳感器感知力量變化，繪制矢量圖

一種名為 “GelSight” 的傳感器可以做到這一點(diǎn)。它由柔軟的橡膠制成，里面裝有嵌入式攝像頭，可以將力度、速度和朝向等變量可視化。

隨后，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)感知和控制框架，用于實(shí)現(xiàn)基本的電線操控。GelSight 傳感器收集的數(shù)據(jù)可以估算電線在手指間的狀態(tài)和位置，并且測(cè)量出電線滑過(guò)手指的摩擦力，繪制出行動(dòng)軌跡。共有兩個(gè)控制器并行運(yùn)行，其中一個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)抓力大小，另一個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)抓手姿勢(shì)，確保電線是抓在手上的。

將抓手和機(jī)械臂組合起來(lái)后，抓手就可以在機(jī)械臂的帶動(dòng)下自由移動(dòng)。放上一條 USB 線之后，機(jī)器手可以從任意一個(gè)隨機(jī)位置開(kāi)始。

在演示中，兩個(gè)抓手一橫一豎放置，相互配合。一只手先抓緊電線，另一只手快速捋過(guò)電線，尋找 USB 插頭。如果電線較長(zhǎng)，抓緊線的手還會(huì)松開(kāi)，同時(shí)另一只手靠近它，然后再重復(fù)抓緊和捋線的過(guò)程。整個(gè)工作流程和人用雙手捋直并找到 USB 插頭的過(guò)程十分相似。

圖 | 機(jī)械手將耳機(jī)插進(jìn)手機(jī)里

機(jī)器手還可以把耳機(jī)插頭插進(jìn)手機(jī)里。當(dāng)告訴它抓的是一個(gè)耳機(jī)線時(shí)，它就會(huì)在找到耳機(jī)插頭之后移動(dòng)到手機(jī)處，調(diào)整插頭的姿勢(shì)，由水平轉(zhuǎn)為豎直，然后將其插進(jìn)插孔。

研究人員表示，機(jī)器手可以適應(yīng)不同的材料，硬度和厚度，常見(jiàn)的膠皮和線繩等質(zhì)地都可以輕松掌控，速度也可以調(diào)整。

下一步，研究人員計(jì)劃改善機(jī)械爪手指的形狀，抓取目標(biāo)拓展到更多可變形物體上。

目前使用的 GelSight 傳感器有一個(gè)凸面，很難在電線滑落時(shí)做出緊抓動(dòng)作。如果可以改良凸面形狀，就可以更好地掌控電線，提升整體表現(xiàn)。此外，機(jī)械手的尺寸也可以進(jìn)一步縮小，以應(yīng)付更靈活的任務(wù)，解鎖更多應(yīng)用場(chǎng)景。

“操縱軟物體在我們的日常生活中非常普遍，比如調(diào)整線繩，布料折疊和打結(jié)，”MIT 博士后，論文作者佘宇表示，“在很多情況下，我們希望機(jī)器人可以幫助人類完成這些工作，尤其是任務(wù)繁瑣，無(wú)聊或者不安全的時(shí)候。”