無(wú)論是鋼琴家指尖流淌出的動(dòng)人旋律，還是外科醫(yī)生在顯微鏡下的精準(zhǔn)操作，甚至是母親為孩子系鞋帶時(shí)的溫柔細(xì)致……人類的雙手所展現(xiàn)出的靈巧與智慧都令人嘆為觀止。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家們一直渴望創(chuàng)造出像人手一樣靈活的機(jī)器手，讓它能“感受”水晶球的光滑表面，“撫摸”絲綢的柔軟質(zhì)感，“抓握”雞蛋而不破損，“操控”精密器械實(shí)施復(fù)雜手術(shù)，在危險(xiǎn)環(huán)境中完成精細(xì)作業(yè)。這是智能機(jī)器人最難攻克的堡壘，但也許就在不久的將來(lái)，這一愿望就能實(shí)現(xiàn)！

　　讓機(jī)器擁有一雙靈巧的手

　　當(dāng)你早晨起床，伸手去關(guān)鬧鐘時(shí)，你的大腦在瞬間就完成了一系列復(fù)雜計(jì)算：估算鬧鐘的位置，計(jì)算最佳的手臂軌跡，預(yù)測(cè)需要多大的力量來(lái)按下按鈕。當(dāng)你的手指觸碰到按鈕表面時(shí)，皮膚上數(shù)以千計(jì)的觸覺感受器瞬間感知到材料的硬度、溫度和紋理，并實(shí)時(shí)調(diào)整按壓力度。這個(gè)看似平常的動(dòng)作，實(shí)際上展現(xiàn)了人類感知與控制系統(tǒng)的驚人復(fù)雜性。

　　在人工智能飛速發(fā)展的今天，我們已見證了太多令人驚嘆的突破：1997年，IBM的深藍(lán)擊敗了國(guó)際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫；2016年，DeepMind的AlphaGo在圍棋賽場(chǎng)上戰(zhàn)勝了世界冠軍李世石；近年來(lái)，大語(yǔ)言模型展現(xiàn)了令人震撼的語(yǔ)言理解能力。

　　然而，讓機(jī)器擁有一雙像人類一樣靈巧的手，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的目標(biāo)其實(shí)是人工智能領(lǐng)域最難攻克的“硬骨頭”。

　　這并不奇怪。人類的手是進(jìn)化過程中的杰作，包含了27塊骨頭、29個(gè)關(guān)節(jié)、123條韌帶、三大主要周圍神經(jīng)和34條肌肉，這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)能產(chǎn)生24個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。更重要的是，我們的雙手布滿了觸覺感受器——每平方厘米皮膚上就有超過100個(gè)觸覺傳入神經(jīng)，它們能感知壓力、溫度、質(zhì)地、濕度、機(jī)械振動(dòng)等多種信息，并將這些信息實(shí)時(shí)傳遞給大腦進(jìn)行處理。

　　對(duì)于機(jī)器人而言，復(fù)現(xiàn)這樣的能力面臨多重挑戰(zhàn)。

　　首先是機(jī)械設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)：如何在有限的空間內(nèi)集成足夠多的自由度，同時(shí)保證足夠的力量和精度？傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)人手的柔順性，而柔性材料又帶來(lái)了控制上的困難。

　　其次是傳感技術(shù)的挑戰(zhàn)：如何在機(jī)器手的表面集成大量高精度的觸覺傳感器，讓機(jī)器能夠“感受”物體的細(xì)微特征？

　　最后是控制算法的挑戰(zhàn)：如何從海量的高維度傳感數(shù)據(jù)中提取有效信息，并實(shí)時(shí)生成精確的動(dòng)作指令，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的、靈巧的交互？

　　這些問題相互交織，使得賦予機(jī)器一雙“像人類一樣靈巧的手”成了人工智能領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

　　從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的機(jī)器手

　　靈巧手的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)工業(yè)機(jī)器人手臂被用于執(zhí)行簡(jiǎn)單的抓取任務(wù)，但其靈活性較差，功能有限。20世紀(jì)80年代，多自由度、多指設(shè)計(jì)的靈巧手開始出現(xiàn)，這標(biāo)志著靈巧手的初步成形。這一時(shí)期，猶他大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的 Utah/MIT手通常被認(rèn)為是首個(gè)機(jī)器人靈巧手。該手配備了位置和力傳感器，為研究機(jī)器人手的靈活性與控制技術(shù)提供了重要支持。

　　緊隨其后，斯坦福大學(xué)與美國(guó)國(guó)家航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)聯(lián)合開發(fā)了Stanford/JPL手，目標(biāo)是替代人類執(zhí)行太空作業(yè)。這一項(xiàng)目是空間機(jī)器人技術(shù)的早期探索之一。這些早期的靈巧手雖設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但為后續(xù)技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　21世紀(jì)初，靈巧手技術(shù)迎來(lái)了新一輪快速發(fā)展。英國(guó)Shadow Robot公司推出了Shadow Dexterous Hand，成功復(fù)刻了人類手的大部分自由度。該靈巧手通過20個(gè)直流電機(jī)和仿生肌腱控制24個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)(其中遠(yuǎn)節(jié)指骨和中節(jié)指骨由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng))，不僅實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的操作功能，還推動(dòng)了靈巧手的商業(yè)化應(yīng)用。同一時(shí)期，由德國(guó)宇航中心(DLR)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的DLR/HIT手也成為靈巧手領(lǐng)域的重要成果，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的參與標(biāo)志著這一領(lǐng)域國(guó)際化進(jìn)程的加速。

　　2010年左右，人工智能的迅猛發(fā)展為靈巧手技術(shù)注入了全新動(dòng)力。谷歌、OpenAI等機(jī)構(gòu)開始探索基于深度學(xué)習(xí)的靈巧手操作算法。這些算法通過大數(shù)據(jù)訓(xùn)練，使靈巧手具備了自主學(xué)習(xí)和應(yīng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的能力。2019年，OpenAI展示了結(jié)合人工智能算法的靈巧手成功復(fù)原魔方的成果，這一突破性進(jìn)展成為靈巧手與人工智能深度融合的里程碑。次年，OpenAI進(jìn)一步展示了如何在虛擬環(huán)境中對(duì)靈巧手進(jìn)行大規(guī)模訓(xùn)練，使其能夠像人類一樣靈活操控物體，并精確調(diào)整物體在手中的位置和朝向。這些技術(shù)突破標(biāo)志著靈巧手向更高層次智能化邁進(jìn)。

　　2020年左右，靈巧手的發(fā)展更加注重與觸覺感知的深度融合。通過先進(jìn)的觸覺傳感器和多模態(tài)感知技術(shù)，靈巧手能夠?qū)崟r(shí)感知抓取對(duì)象的材質(zhì)、形狀以及力反饋，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的操作。例如，北京大學(xué)研發(fā)的F-TAC Hand，首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的全手觸覺感知，成為這一領(lǐng)域的重要突破性成果。同時(shí)，靈巧手逐漸被集成到人形機(jī)器人中，用于完成更復(fù)雜的任務(wù)。研究人員正在努力賦予這些機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中執(zhí)行工具操作、精密裝配以及復(fù)雜物體抓取等能力。這種結(jié)合不僅提升了人形機(jī)器人的實(shí)用性，還讓它們?cè)诜?wù)機(jī)器人、醫(yī)療護(hù)理、制造業(yè)以及災(zāi)難救援等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

　　通過觸覺感知與智能控制的融合，靈巧手在人形機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了機(jī)器人與人類世界的無(wú)縫協(xié)作。未來(lái)，靈巧手的發(fā)展將繼續(xù)朝著更高智能化、更強(qiáng)適應(yīng)性以及更廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的方向邁進(jìn)。

　　它們成為人類能力的延伸

　　想象一下，未來(lái)的某個(gè)早晨，你的智能機(jī)器手助理正精心準(zhǔn)備早餐。它能感受到雞蛋殼的厚薄，用恰到好處的力度打破蛋殼而不損傷蛋黃；通過觸摸判斷面包的新鮮程度，為你烤出完美的吐司；甚至根據(jù)牛奶的溫度和你的喜好，調(diào)制出最適合的咖啡。

　　在醫(yī)院里，一位患有帕金森病的老人正在接受康復(fù)訓(xùn)練。由于疾病影響，他的雙手經(jīng)常不受控制地顫抖，連拿水杯都成了難題。但現(xiàn)在，一個(gè)溫柔的智能機(jī)器手成了他的“第三只手”——它能感知老人意圖，在他想要喝水時(shí)穩(wěn)穩(wěn)地將水杯送到嘴邊，動(dòng)作輕柔，宛如家人般的照顧。更神奇的是，這個(gè)機(jī)器手還能自動(dòng)調(diào)節(jié)水溫，確保不會(huì)燙傷老人，甚至記住他的飲水習(xí)慣。

　　在另一間手術(shù)室里，一位神經(jīng)外科醫(yī)生正進(jìn)行一臺(tái)極其精密的腦腫瘤切除手術(shù)。他的助手不是另一位醫(yī)生，而是一個(gè)具備超高精度的智能機(jī)器手。這個(gè)機(jī)器手的“觸覺”比人類敏感得多，它能夠感受到不同腦組織的細(xì)微差別——腫瘤組織和正常腦組織在硬度上的微小差異都逃不過它的“感知”。在切除腫瘤過程中，機(jī)器手能精確避開重要的神經(jīng)血管，將手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降到最低。最讓人驚嘆的是，這樣的手術(shù)甚至可以通過遠(yuǎn)程操控來(lái)完成——一位在北京的專家可以為遠(yuǎn)在新疆的患者進(jìn)行手術(shù)，智能機(jī)器手成了醫(yī)生雙手的遠(yuǎn)程延伸。

　　在家庭生活中，智能機(jī)器手將成為我們最貼心的助手。對(duì)于行動(dòng)不便的老人，它能幫助穿衣、洗漱、進(jìn)食；對(duì)于忙碌的上班族，它能照料家中花草，根據(jù)植物需要澆水施肥，甚至能夠感知植物的“情緒”，知道什么時(shí)候需要更換土壤或調(diào)整光照；對(duì)于熱愛烹飪的人，它就是最好的廚房助手，不僅精確控制調(diào)料用量，還能根據(jù)食材新鮮程度調(diào)整烹飪方法。

　　在環(huán)境保護(hù)方面，智能機(jī)器手也將發(fā)揮獨(dú)特作用。在清理海洋垃圾工作中，機(jī)器手能精確識(shí)別并分揀不同類型的垃圾，甚至能小心地救助被垃圾纏繞的海洋生物。在植樹造林工作中，機(jī)器手能根據(jù)土壤條件和幼苗特點(diǎn)，精確控制種植深度和施肥量，大大提高植樹的成活率。

　　在太空探索領(lǐng)域，智能機(jī)器手將成為人類探索宇宙的重要工具。在火星探測(cè)任務(wù)中，配備智能機(jī)器手的機(jī)器人能進(jìn)行比目前更加精細(xì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，甚至能組裝復(fù)雜的科研設(shè)備。在空間站維護(hù)工作中，機(jī)器手能完成一些對(duì)宇航員來(lái)說(shuō)過于危險(xiǎn)或困難的任務(wù)，大大提高空間任務(wù)的安全性和效率。

　　這些場(chǎng)景聽起來(lái)像是科幻電影，但隨著智能機(jī)器手技術(shù)快速發(fā)展，這個(gè)未來(lái)正向我們走來(lái)。

　　智能機(jī)器手的發(fā)展代表了人類對(duì)于增強(qiáng)自身能力的不懈追求。它不是要取代人類的雙手，而是要成為人類能力的延伸，幫助我們完成那些超出生理極限的任務(wù)，讓我們專注于更有創(chuàng)造性的工作。

　　在這個(gè)過程中，我們需要保持開放的心態(tài)，積極擁抱技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的機(jī)遇，同時(shí)也要審慎考慮技術(shù)發(fā)展可能帶來(lái)的挑戰(zhàn)。只有這樣，才能確保智能機(jī)器手技術(shù)真正造福人類，創(chuàng)造一個(gè)人機(jī)和諧共存的美好未來(lái)。

　　(作者：趙秭杭、朱毅鑫，分別系北京大學(xué)博士生；北京大學(xué)研究員、北京大學(xué)武漢人工智能研究院研究員)