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摘要

該科研成果在對(duì)操作精度有極高要求的輔助手術(shù)、高精密組裝類工作以及航空航天、應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域有廣泛的落地場(chǎng)景，并有望推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)制造、特殊環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

機(jī)器手作為人形機(jī)器人與外界交互的重要媒介，是機(jī)器人功能性的直接體現(xiàn)，需要“人手”參與的工作都是機(jī)器手的應(yīng)用場(chǎng)景，在特定場(chǎng)景(如精密裝配)中展現(xiàn)出超越人類手部的穩(wěn)定性。2025年6月9日，由北京大學(xué)人工智能研究院、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)聯(lián)合組成的科研團(tuán)隊(duì)在《自然·機(jī)器智能》(Nature Machine Intelligence)上發(fā)表題為“Embedding high-resolution touch across robotic hands enables adaptive human-like grasping”的論文，標(biāo)志著該團(tuán)隊(duì)在高分辨率觸覺感知機(jī)器手領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。由于其可提供超越人類手部穩(wěn)定性的操作，該科研成果在對(duì)操作精度有極高要求的輔助手術(shù)、高精密組裝類工作以及航空航天、應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域有廣泛的落地場(chǎng)景，并有望推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)制造、特殊環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

圖1. Nature Machine Intelligence截圖

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的F-TAC Hand(基于全手觸覺的機(jī)器人仿生手，F(xiàn)ull-hand Tactile-embedded Biomimetic Hand，簡稱F-TAC Hand)是國際首個(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)器手系統(tǒng)。
 
　　隨著人類的進(jìn)化，手部的功能由攀爬轉(zhuǎn)為使用工具，并逐漸掌握了精準(zhǔn)抓握能力。手部既是人類改造自然與外界交互的核心器官，也是智能的核心載體。人的手部具有結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、功能極為精密的特點(diǎn)，手部由27塊骨骼和34塊肌肉組成，提供了24個(gè)自由度的靈活性，對(duì)人類手部功能的研究是具身智能與機(jī)器人學(xué)科研的前沿領(lǐng)域。
 
　　在以往的研究中，觸覺反饋與運(yùn)動(dòng)能力的整合被認(rèn)為是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。F-TAC Hand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。首先，從硬件角度來看，如何避免觸覺傳感器的引入對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性造成影響是第一個(gè)難題，同時(shí)當(dāng)前的觸覺傳感技術(shù)在覆蓋率、分辨率和耐久性等方面仍難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。其次，即便獲得了具備高分辨率觸覺感知能力的機(jī)器手，如何高效地處理大量的觸覺數(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一樣完成復(fù)雜的任務(wù)，依然是一個(gè)亟待解決的難題。
 
　　聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)取得的成果是首次在保持完整運(yùn)動(dòng)能力的前提下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手掌表面70%區(qū)域的高分辨率觸覺覆蓋，使機(jī)器人能夠像人類一樣通過觸覺反饋進(jìn)行精確操作和適應(yīng)性抓取。
 
　　目前主流的機(jī)器手或抓取器由于缺乏豐富的觸覺反饋，難以應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境中的復(fù)雜操作任務(wù)。人類手部的靈活性和適應(yīng)性很大程度上依賴于其密集的觸覺傳感能力，能夠精確感知并調(diào)整抓握過程——例如在抓取裝滿水的杯子與空杯子時(shí)，人類會(huì)自然地調(diào)整抓握位置、角度和力度。然而在機(jī)器人領(lǐng)域，如何在不影響運(yùn)動(dòng)功能的前提下實(shí)現(xiàn)全手觸覺覆蓋一直是個(gè)技術(shù)難題(圖2)。
 
　　針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的F-TAC Hand在高分辨率觸覺傳感方面取得突破。其觸覺傳感器覆蓋了手掌表面70%的區(qū)域，空間分辨率達(dá)0.1毫米(相當(dāng)于每平方厘米約10,000個(gè)觸覺像素)，遠(yuǎn)超商用機(jī)器手的感知能力。
 

圖2. F-TAC Hand與人手比較

 
　　F-TAC Hand的設(shè)計(jì)靈感來源于人類手部的生物結(jié)構(gòu)，其觸覺系統(tǒng)模擬了人類手部的兩大關(guān)鍵要素：遍布皮膚的密集觸覺傳感器陣列和高效處理海量感覺輸入的神經(jīng)機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)通過將17個(gè)高分辨率觸覺傳感器以6種不同配置集成在一起，并巧妙地將傳感器同時(shí)作為感知元件和結(jié)構(gòu)部件，在不影響靈活性的情況下實(shí)現(xiàn)了前所未有的觸覺覆蓋范圍。這種仿生設(shè)計(jì)使F-TAC Hand能夠像人類手掌一樣，在抓取過程中實(shí)時(shí)感知接觸變化并快速調(diào)整，從而顯著提升了機(jī)器人在不確定環(huán)境中的操作穩(wěn)定性。
 
　　針對(duì)機(jī)器手高度關(guān)節(jié)靈活性帶來的控制挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于概率模型的智能算法，能夠生成涵蓋人類19種常見抓取類型的多樣化策略。在實(shí)現(xiàn)多物體同時(shí)抓取這一靈巧性關(guān)鍵測(cè)試中，F(xiàn)-TAC Hand展現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性智能機(jī)制。與簡單的雙指夾持單一物體不同，該系統(tǒng)通過精確的全手接觸檢測(cè)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)策略調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)物體的精準(zhǔn)穩(wěn)定抓取。這種智能控制架構(gòu)有效解決了復(fù)雜抓取場(chǎng)景下的操作難題。
 
　　在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中執(zhí)行多物體序列抓取任務(wù)出現(xiàn)較大執(zhí)行誤差，無法繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)抓取時(shí)，F(xiàn)-TAC Hand能夠在約100毫秒內(nèi)通過觸覺反饋感知到這一情況并快速切換至替代策略，確保任務(wù)完成。為驗(yàn)證這一技術(shù)的實(shí)際效果，研究團(tuán)隊(duì)在600次真實(shí)世界實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了F-TAC Hand的多物體抓取能力。結(jié)果表明，相比沒有觸覺反饋的系統(tǒng)，F(xiàn)-TAC Hand在面臨執(zhí)行誤差和物體碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)表現(xiàn)出顯著的適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)，平均成功率從53.5%提升至了100%。這種基于觸覺的閉環(huán)反饋機(jī)制，使F-TAC Hand能夠像人類一樣，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)境中的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。
 
　　論文共同第一作者為北京大學(xué)人工智能研究院博士生趙秭杭、李宇飏，北京通用人工智能研究院研究員李皖林、劉騰宇，通訊作者為北京大學(xué)人工智能研究院助理教授朱毅鑫、北京通用人工智能研究院研究員劉航欣和倫敦瑪麗王后大學(xué)教授Kaspar Althoefer，合作作者包括北京大學(xué)人工智能研究院教授朱松純、副研究員杜凱，北京大學(xué)工學(xué)院教授王啟寧，北京通用人工智能研究院研究員李博韌和王濛。
 
　　該研究工作得到了科技部2030重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京市科技新星計(jì)劃交叉課題的資助，并在武漢東湖高新區(qū)國家智能社會(huì)治理實(shí)驗(yàn)綜合基地的支持下完成了相關(guān)工作。

來源：儀表網(wǎng)