幾十年來(lái)，科學(xué)家和工程師一直在制造鋼琴演奏機(jī)器人，在以往的嘗試中，機(jī)械手主要通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。近日，劍橋大學(xué)工程系研究員 Josie Hughes 及其團(tuán)隊(duì)造出了一只與眾不同的機(jī)器手，可以輕松彈奏一曲“Jingle Bells”，并在音量控制、彈奏斷音和連音等方面表現(xiàn)出了更強(qiáng)的靈活性。

機(jī)械手在設(shè)計(jì)充分參照了人手的結(jié)構(gòu)，每根手指上有 3-4 個(gè)關(guān)節(jié)。值得一提的是，每只手指部位不需要單獨(dú)的電機(jī)進(jìn)行控制，整只機(jī)械手僅由一個(gè)機(jī)械手臂進(jìn)行控制即可。該研究成果以論文的形式發(fā)表在了 Science Robotics 上。

“我們的目標(biāo)是擺脫傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念，即一個(gè)電機(jī)只能控制一個(gè)動(dòng)作，這種模式的擴(kuò)展性很差，” Josie Hughes 解釋說(shuō)。

如今，這只機(jī)器手離真正的鋼琴家當(dāng)然還有十萬(wàn)八千里遠(yuǎn)，但是已經(jīng)可以表現(xiàn)出多種的風(fēng)格和運(yùn)動(dòng)模式，隨手來(lái)一首“Jingle Bells”已經(jīng)不在話下。

來(lái)自意大利圣安娜高等學(xué)校機(jī)器人研究所教授 Cecilia Laschi 表示，這項(xiàng)研究可以視為是在設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人的新嘗試，旨在讓機(jī)器人像人體一樣靈活。有朝一日，更加先進(jìn)的機(jī)器人將可能可以通過(guò)觸摸探索周圍環(huán)境，或者進(jìn)行醫(yī)療診斷。

Hughes 說(shuō)：“我們?nèi)祟惖闹悄懿粌H體現(xiàn)在大腦上，還分布在全身各處，尤其是各種復(fù)雜的身體結(jié)構(gòu)和人體力學(xué)。”因此研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)機(jī)器手時(shí)充分參照了人手的構(gòu)造，里面還有所謂的骨骼和韌帶。

他們?cè)u(píng)估了不同部位所需的軟硬程度。在沒有電機(jī)的情況下，機(jī)器手要依靠不同的軟硬變化來(lái)實(shí)現(xiàn)多種不同的動(dòng)作和功能。“我們希望復(fù)制人手的特性，時(shí)而強(qiáng)壯有力，時(shí)而輕盈細(xì)膩，”Hughes 解釋道。

為了達(dá)到這樣到效果，研究人員選擇通過(guò) 3D 打印的方式制作機(jī)器手。在制作過(guò)程中，他們混合了不同比例的硬塑料和軟橡膠，以生產(chǎn)具有不同硬度的韌帶和關(guān)節(jié)，然后再將其連接到普通的機(jī)械手臂上，后者常被用在工業(yè)裝配線上。

研究團(tuán)隊(duì)將鋼琴演奏分解成三類動(dòng)作：?jiǎn)沃盖脫簦S和拇指滑動(dòng)，并且使用了三段音樂來(lái)衡量機(jī)器手的能力。

第一首是意大利作曲家斯卡拉蒂的 Toccata。工程師發(fā)現(xiàn)，想要接近人類的彈奏方式，必須提高其食指的硬度，因?yàn)閺椬嘀杏泻芏鄶嘁?。他們還降低了其他手指的硬度，以確保機(jī)器手也可以彈出柔軟的連音。

之后研究人員使用了不同風(fēng)格的曲子，來(lái)測(cè)試機(jī)器手演奏八度音階的能力。他們發(fā)現(xiàn)，大跳需要手指間的韌帶具有較高彈性，但手指本身的關(guān)節(jié)則應(yīng)該保持中等硬度，以確保音符的清晰。

Hughes 表示，與許多現(xiàn)有的鋼琴機(jī)器人相比，這款機(jī)器手在音量控制，拇指移動(dòng)，彈奏斷音和連音方面表現(xiàn)出了極佳的靈活性。她接下來(lái)計(jì)劃增加傳感器，電機(jī)和像肌腱一樣的部件，來(lái)讓它掌握多種演奏方式。

她的最終目標(biāo)是創(chuàng)造一種具有表現(xiàn)力的鋼琴機(jī)器人，而不僅僅局限于彈出正確的旋律。

“我們不僅要將音符視為一系列指令，更要讓機(jī)器人表現(xiàn)出一種復(fù)雜且有深度的藝術(shù)性，因?yàn)閺椬噤撉倬褪且环N藝術(shù)。”Hughes 說(shuō)。