2018/12/21
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科学家开发了可以在钢琴上演奏的3D打印机器人手
剑桥大学的科学家开发出一种3D打印机器人手，可以在钢琴上演奏简单的曲调。只需移动手腕，机器人手就可以在钢琴上弹奏简单的音乐短语。科学家们表示，3D打印机器人展示了人手的机械结构复杂程度以及复制的难度。
机器人手是通过3D打印柔软和刚性材料制成的，以复制人手中的所有骨骼和韧带，但不复制肌肉或肌腱。研究人员发现依靠手的机械设计仍然可以实现令人惊讶的广泛运动。
手虽不能独立移动手指，但可以演奏简单的音乐短语，通过移动手腕来模仿不同风格的钢琴演奏，被称为“被动”运动。“我们可以利用“被动”来实现机器人的广泛运动：例如，步行，游泳或飞行，”该论文的第一作者剑桥工程系的Josie Hughes说。 “智能机械设计使我们能够以最小的控制成本实现最大范围的运动：我们希望看到机械师能够获得多少运动。”
这款3D打印机器人手弹奏了许多短音乐，包括剪辑（断奏）或平滑（连奏）音符，以及莫扎特，斯卡拉蒂和格什温等作曲家的作品，以及包括铃儿响叮当在内的季节性歌曲。
“这只是当时的基础知识，但即使采用这种单一动作，我们仍然可以获得相当复杂和细致入微的行为。”在过去几年中，3D打印使研究人员能够增加这些被动系统的复杂性。然而，在机器人中再现人手的所有灵活性和适应性仍然是一项巨大的研究挑战。今天的大多数高级机器人都无法完成小孩子可以轻松完成的操作任务。
“这个项目的基本动机是了解具体的数据信息，即我们机械体的信息，”领导这项研究的Fumiya Iida博士说。 “人类身体是最智能机械设计组成，如骨骼，韧带和皮肤，即使没有主动的大脑控制，也能帮助我们智能地行动。通过使用最先进的3D打印技术打印人类柔软的手，我们现在能够探索物理设计的重要性，与主动控制隔离，这对于人类钢琴演奏者来说是不可能的，因为大脑不能像我们的机器人一样“关闭”。
“钢琴演奏是对这些被动系统的理想测试，因为它是一项复杂而细致的挑战，需要大量的行为来实现不同的演奏风格，”尽管机器人手的局限性，研究人员表示他们的方法将推动进一步研究骨骼动力学的基本原理，以实现复杂的运动任务，以及学习被动运动系统的局限性。
“这种机械设计方法可以改变我们构建机器人的方式，”Iida说。“制造方法使我们能够以高度可扩展的方式设计机械智能结构。我们可以扩展这项研究，以研究如何实现更复杂的操作任务：开发可以执行医疗程序或处理易碎物体的机器人，这种方法还减少了控制手所需的机器学习量;通过开发内置智能的机械系统，它使机器人更容易学习控制。”
该项目的研究结果发表在“科学机器人”杂志上。
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