无臂机器人手：指尖行走并自主操作物体

手与手臂相连对人类来说是常态，但机器人不必遵循同样的规则。苏黎世联邦理工学院的研究人员将一款现成的机械手改造成了一个完全独立的机器人，它能用指尖行走，并用同样的手指操作环境。这只手让人联想到《亚当斯一家》中的“Thing”，有望在传统机械臂无法触及的地方操作控制器和处理物体。

该项目负责人、苏黎世联邦理工学院软体机器人实验室的博士生阿米尔霍辛·卡泽米普尔认为，这只手可用于工业环境中的精细维护任务，或搜救场景。在这些场景中，机器人可以拆下手部，探索身体其余部分无法进入的狭窄空间。更广泛地说，卡泽米普尔表示，这项工作推动了一种新思路：机器人的身体部位不再局限于单一角色。他告诉IEEE Spectrum，他想看看一只机械手在没有机器人其余部分的情况下能做什么，并问道：与其用传统眼光看待机器人部件，为什么不能让这些部件执行它们并非为之设计的任务？

这并非首次尝试让机械手行走，但此前的工作通常依赖于专门设计的手。ETH团队使用了无极科技公司的现成硬件，并加装了一个80克重的背包，内含电池、惯性测量单元和树莓派Zero。卡泽米普尔称，他们选择商用机械手是因为不想牺牲其操作能力。他补充说，这带来了重大挑战，因为手的形状是为抓取而优化的，而非爬行。

为了教手行走，研究人员在仿真中使用强化学习训练模型，模型通过反复试错学习，接近期望行为时获得奖励，偏离时受到惩罚。然而，手的不规则几何形状意味着他们无法直接套用训练其他腿式机器人的方法。标准的四足或双足机器人左右对称，简化了行走和平衡。手则完全不对称，手指长度不同，还有对生拇指。团队引入了一种新颖的方法，在仿真训练中保持手的爬行姿态。为了考虑手指长度不等，他们为每根手指设定了相对于手掌的目标位置，基于其在爬行姿态中的自然位置。然后，他们惩罚手指偏离过远，形成所谓的“虚拟弹簧”，将手指拉回爬行姿态。关键的是，前后移动的惩罚远小于侧向移动，因此向前迈步的代价相对于奖励来说很小。

团队还训练了独立模型，用于翻正跌倒的手、按键盘按键以及将物体推向目标。卡泽米普尔说，四个模型都能在机载计算机上运行，控制器可根据需要在它们之间切换。在真实世界测试中，这只手在14种不同表面上爬行，包括光滑地板、金属格栅、草地和砾石。它能够左右转弯，平均速度达到每秒9厘米。在25次试验中，它成功翻正了21次。当获得来自顶置摄像头的视频流时，它甚至能自主将41克的立方体推到40厘米外的目标位置，连续成功15次。

东京大学教授稻见昌彦的团队开发了手形行走机器人。他表示，最让他感兴趣的是，同样的手指既能移动手、支撑其重量，又能与周围环境互动。他同意，移动的手可用于到达狭窄空间和操作整条手臂难以触及的控制装置，不过实际部署需要机载感知和更强大的导航能力。稻见实验室的博士生下林秀树也指出，行走给手带来的负载与抓取截然不同，因此耐用性可能是一个挑战。哥伦比亚大学机械工程副教授马泰·乔卡利表示，这是一个“很酷的结果”，表明机械手不必局限于人类手的能力。他说，可以想象一种全新的移动操作器类别，它们既灵巧，又能穿越复杂地形，还能操作与自身尺寸相当的载荷。

卡泽米普尔将他的工作视为长期愿景的一部分：机器人由不局限于单一任务或身体构型的部件组成，他称之为“自主模块化实体”。他说，机器人身体部位不应被永久分配单一功能；它们可以根据任务在角色之间动态转换，既可以是某个实体系统的组件，也可以是自主智能体。