【導(dǎo)讀】一般來說，機(jī)器手有兩種普遍的設(shè)計流派。第一種是以完成某項工作為導(dǎo)向的簡單明了的高效機(jī)器手，依靠兩三根「手指」（所形成的鉗子）輕而易舉的完成許多工作。第二種是完全按照人類雙手進(jìn)行精確模擬——擁有一根拇指的其他四根手指的設(shè)計，基于人類數(shù)百萬年進(jìn)化而成的雙手去設(shè)計機(jī)器手，因為我們身邊所有的物體都是根據(jù)我們的雙手去設(shè)計的，所以如果希望機(jī)器人能夠盡可能做到更多事情，最好是擁有一雙像真人一樣的手。
鑒于真實人手內(nèi)在的復(fù)雜性，在設(shè)計擬人仿生手時不可避免的采取了許多折中方案，讓它們正常工作的同時還保持了人手的外形。來自西雅圖華盛頓大學(xué)的ZheXu和EmanuelTodorov開創(chuàng)性的開發(fā)了一款有史以來最精細(xì)且運(yùn)動最準(zhǔn)確的擬人仿生手，它的終極目標(biāo)是完全取代人類雙手。
關(guān)于設(shè)計一種新的機(jī)器手對他們的重要性，Xu表示：
「擬人機(jī)器手設(shè)計的常規(guī)方法是，用類似鉸鏈、聯(lián)動裝置和平衡環(huán)等零件來實現(xiàn)生物部件的機(jī)械化，從而將看似復(fù)雜的人體參照物進(jìn)行了簡化。這種方法對于理解并模仿人手的運(yùn)動原理有一定幫助，但不可避免的制造了一些人與機(jī)械手之間的不良差異，因為人手上大多數(shù)顯著的生物力學(xué)特征都在機(jī)械化的過程中被丟棄了。這些機(jī)器手和人手生物力學(xué)在本質(zhì)上的不匹配阻礙了我們使用自然的手部運(yùn)動來直接控制它們。因此，還沒有任何一只擬人機(jī)器人手可以達(dá)到人手的靈巧程度。」
Xu和Todorov決定從零開始他們的機(jī)器手項目，以盡可能精確的方式機(jī)械的復(fù)制人手。首先，他們通過激光掃描出了人手的骨骼，然后通過3D打印出匹配的人工骨骼，使他們能夠復(fù)制出我們?nèi)耸炙鶕碛械撵`活的連接關(guān)節(jié)。
「例如，我們對生拇指的運(yùn)動依靠于腕掌關(guān)節(jié)（CMC）中梯形骨的復(fù)雜形狀。由于梯形骨的不規(guī)則形狀，CMC關(guān)節(jié)軸沒有固定的精準(zhǔn)位置。所以說，目前所有的擬人機(jī)器手都是采用傳統(tǒng)的機(jī)械連接，這種連接方式固定的旋轉(zhuǎn)軸。因此，這些傳統(tǒng)的機(jī)器手都無法還原自然的拇指運(yùn)動。我們通過掃描尸體手骨架，3D打印了人工骨骼，并且該人工手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍、剛度、和動態(tài)行為都非常接近人手。我們的機(jī)器手設(shè)計獨(dú)一無二的保留了重要的人手生物力學(xué)信息，達(dá)到了解剖級別。」
關(guān)節(jié)韌帶（身體用來固定關(guān)節(jié)且控制它們活動范圍的部分）的材料使用了高強(qiáng)度的Spectra帶，并帶有激光切割的橡膠板來代替增加關(guān)節(jié)依從性的軟組織。伸肌和屈肌的肌腱（用來矯直和彎曲手指的部分）也由Spectra帶構(gòu)成，同時用更多的激光切割橡膠板代替了腱鞘和伸肌腱帽，后者是通過包裹手指來使其應(yīng)對靈活性和扭矩的復(fù)雜的蹼狀多層結(jié)構(gòu)。UW（華盛頓大學(xué)縮寫）手的最后一部分構(gòu)成是肌肉，它是由一排10個Dynamixel伺服系統(tǒng)組成，它們的電纜布線也緊密的模仿了人手的腕隧道。
除去工藝絕倫之外，我們還可以通過waldo遙控器去操縱UW手準(zhǔn)確的模仿人手的各種抓拿動作。研究人員認(rèn)為，因為他們的機(jī)器人動力學(xué)非常接近真實的人手，因此，用戶可以在沒有任何力反饋的情況下用手進(jìn)行復(fù)雜的操作。用戶也可以在研究人員歸因于與人手運(yùn)動學(xué)高度匹配的機(jī)器手上，在零力回饋的情況下用手進(jìn)行復(fù)雜的操作。
真正的關(guān)鍵在于：擬人機(jī)器手完全按照模擬人手來設(shè)計，這意味著它可以模擬人手的動作，這主要取決于它的構(gòu)造，而非一種電腦編程。在遙控操作方面，它也有很多潛在優(yōu)勢，因為操作者可以更加無縫的利用自己雙手的靈活性。
更有趣的是，研究人員認(rèn)為他們所研究的機(jī)器手可以用來「為肢體再生的研究做3D支架」。Xu解釋說：
「對義肢假手的控制主要依賴于人的大腦。因此，如果義肢的設(shè)計更加接近于生物本體，那同樣的神經(jīng)義肢技術(shù)就會更加有效。生物相容性材料現(xiàn)在已經(jīng)可以被打印成骨架，可生物降解的人造韌帶也可以被用來取代撕裂的前交叉韌帶，人類肌肉已經(jīng)成功地在培養(yǎng)皿內(nèi)被培育出來，而且外周神經(jīng)在合適的條件下也可以再生。所有這些有前途的新技術(shù)都需要適合移植細(xì)胞生長的支架。我們將與生物學(xué)和組織工程學(xué)的研究人員合作，進(jìn)一步探索仿生機(jī)器手在神經(jīng)義肢和肢體再生等新興領(lǐng)域作為生物制造設(shè)備/支架的潛力。」
華盛頓大學(xué)的XuZhe和EmanuelTodorov的「高仿生擬人機(jī)器手對假肢再生的設(shè)計」將于五月份在斯德哥爾摩五月份的ICRA(IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation)會議上呈現(xiàn)。
XuZhe目前是耶魯大學(xué)GRAB實驗室的博士后。
