蛇年春節(jié)，有兩件事兒讓在家過年的北京大學(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，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">4Jr即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
“穩(wěn)了?！敝煲泠涡南耄@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">4Jr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
靈感就來源于人手
如果在手指涂上可以阻斷觸覺的麻藥，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)作之所以感覺很簡(jiǎn)單，是因?yàn)閺?qiáng)烈依賴了觸覺?！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“觸覺反饋”和“運(yùn)動(dòng)功能”兩大能力：觸覺反饋包含通過肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)感知力量的運(yùn)動(dòng)覺，以及通過皮膚感知接觸狀態(tài)、紋理、溫度、摩擦力等物理特性的皮膚觸覺；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)。
既然手部的觸覺如此重要，那何不讓機(jī)器手既有運(yùn)動(dòng)能力、又有觸覺？
他們不是第一個(gè)想到這些的。但在以往的研究中，觸覺反饋與運(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，觸覺傳感器的引入，會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性造成顯著影響；二來，即便獲得了具備高分辨率觸覺感知能力的機(jī)械手，如何高效地處理大量觸覺數(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)開發(fā)了“基于全手觸覺的機(jī)器人仿生手”（F-TAC Hand），簡(jiǎn)稱其為“全觸手”。全觸手的過人之處，就在于它通過傳感器與結(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“有觸覺并自適應(yīng)抓取”
簡(jiǎn)要來說，人類手部觸覺系統(tǒng)由兩個(gè)關(guān)鍵要素組成——遍布皮膚的密集觸覺傳感器陣列和大腦皮層中專門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)。”論文第一作者、北京大學(xué)人工智能研究院博士生趙秭杭向《中國科學(xué)報(bào)》介紹說，他們將17個(gè)高分辨率觸覺傳感器、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，高分辨率觸覺傳感器覆蓋了機(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個(gè)觸覺像素，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《中國科學(xué)報(bào)》解釋道，他們基于概率模型開發(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“說明書”，為它提供了豐富的抓取選擇。
“除了夾持單一物體外，全觸手還能通過全手高分辨率觸覺，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。”李宇飏說，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，相比沒有觸覺反饋的系統(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，國際上首個(gè)同時(shí)具備全手高分辨率觸覺感知和完整運(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，沒想到論文被加急送審，圣誕節(jié)前就收到了送審消息。”朱毅鑫邊口算邊說：“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">4Jr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，尤其是手部的觸覺體驗(yàn)對(duì)我們認(rèn)知世界至關(guān)重要。”朱毅鑫說，“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。”
近年來，以大語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?！壁w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)，而觸覺就提供了機(jī)器人與物體交互狀態(tài)的直接反饋。”
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)室沒人開空調(diào)，零下十幾度的天氣直接凍裂了傳感器……
這倒沒太打擊到他：“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">4Jr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)器人和三維視覺領(lǐng)域。選擇做科研，他只有一句話：
“也許到不了‘無人之境’，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">4Jr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，這項(xiàng)成果基于以往的科研積累、從過去4年的開發(fā)而來，但他覺得它代表著機(jī)器人乃至通用人工智能的未來。
“未來我們將繼續(xù)深化觸覺感知與機(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)?！敝煲泠握f。
記者順便問了一下，朱毅鑫課題組團(tuán)隊(duì)成員平均年齡只有不到25歲。那沒錯(cuò)了，他們代表著未來。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s42256-025-01053-3
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