3D-trykt robothånd spiller klaver

Forskere har udviklet en 3-D-printet robothånd, som kan spille enkle musikalske sætninger på klaveret ved blot at bevæge håndleddet. Og selvom robotten ikke er virtuos, det viser, hvor udfordrende det er at kopiere alle en menneskelig hånds evner, og hvor meget kompleks bevægelse der stadig kan opnås gennem design.

Robothånden, udviklet af forskere ved University of Cambridge, blev lavet ved at 3-D-printe bløde og stive materialer sammen for at kopiere alle knogler og ledbånd - men ikke musklerne eller sener - i en menneskelig hånd. Selvom dette begrænsede robothåndens bevægelsesområde sammenlignet med en menneskelig hånd, forskerne fandt ud af, at en overraskende bred vifte af bevægelser stadig var mulig ved at stole på håndens mekaniske design.

Ved at bruge denne 'passive' bevægelse - hvor fingrene ikke kan bevæge sig uafhængigt - var robotten i stand til at efterligne forskellige stilarter af klaverspil uden at ændre håndens materiale eller mekaniske egenskaber. Resultaterne, rapporteret i journalen Science Robotics , kunne hjælpe med at informere designet af robotter, der er i stand til mere naturlig bevægelse med minimalt energiforbrug.

Kompleks bevægelse hos dyr og maskiner skyldes samspillet mellem hjernen (eller kontrolleren), miljøet og det mekaniske legeme. De mekaniske egenskaber og design af systemer er vigtige for intelligent funktion, og hjælpe både dyr og maskiner til at bevæge sig på komplekse måder uden at bruge unødvendige mængder energi.

"Vi kan bruge passivitet til at opnå en bred vifte af bevægelser i robotter:gang, svømning eller flyvning, for eksempel, " sagde Josie Hughes fra Cambridge's Department of Engineering, avisens første forfatter. "Smart mekanisk design gør det muligt for os at opnå det maksimale bevægelsesområde med minimale kontrolomkostninger:vi ønskede at se, hvor meget bevægelse vi kunne få med mekanik alene."

I løbet af de sidste mange år, bløde komponenter er begyndt at blive integreret i robotdesign takket være fremskridt inden for 3-D printteknikker, hvilket har gjort det muligt for forskere at tilføje kompleksitet til disse passive systemer.

Den menneskelige hånd er utrolig kompleks, og at genskabe al dens fingerfærdighed og tilpasningsevne i en robot er en massiv forskningsudfordring. De fleste af nutidens avancerede robotter er ikke i stand til at manipulere opgaver, som små børn let kan udføre.

"Den grundlæggende motivation for dette projekt er at forstå legemliggjort intelligens, det er, intelligensen i vores mekaniske krop, " sagde Dr. Fumiya Iida, der ledede forskningen. "Vores kroppe består af smarte mekaniske designs såsom knogler, ledbånd, og skind, der hjælper os med at opføre os intelligent, selv uden aktiv hjernestyret kontrol. Ved at bruge den avancerede 3D-printteknologi til at printe menneskelignende bløde hænder, vi er nu i stand til at udforske vigtigheden af ​​fysiske designs, isoleret fra aktiv kontrol, hvilket er umuligt at gøre med menneskelige klaverspillere, da hjernen ikke kan 'slukkes' som vores robot. "

"Klaverspil er en ideel test for disse passive systemer, da det er en kompleks og nuanceret udfordring, der kræver en betydelig række af adfærd for at opnå forskellige spillestile, "sagde Hughes.

Robotten blev 'lært' at spille ved at overveje, hvordan mekanikken, materialeegenskaber, miljø og håndledsaktivering påvirker alle den dynamiske model af hånden. Ved at aktivere håndleddet, det er muligt at vælge, hvordan hånden interagerer med klaveret, gør det muligt for håndens legemliggjorte intelligens at bestemme, hvordan den interagerer med miljøet.

Forskerne programmerede robotten til at spille en række korte musikalske sætninger med afklippede (staccato) eller glatte (legato) toner, opnået ved bevægelse af håndleddet. "Det er bare det grundlæggende på dette tidspunkt, men selv med denne enkelte bevægelse, vi kan stadig få ret kompleks og nuanceret adfærd, " sagde Hughes.

På trods af robothåndens begrænsninger, forskerne siger, at deres tilgang vil drive yderligere forskning i de underliggende principper for skeletdynamik for at opnå komplekse bevægelsesopgaver, samt lære hvor begrænsningerne for passive bevægelsessystemer ligger.

"Denne tilgang til mekanisk design kan ændre den måde, vi bygger robotter på, " sagde Iida. "Fabrikationstilgangen giver os mulighed for at designe mekanisk intelligente strukturer på en måde, der er yderst skalerbar."

"Vi kan udvide denne forskning til at undersøge, hvordan vi kan opnå endnu mere komplekse manipulationsopgaver:udvikling af robotter, der kan udføre medicinske procedurer eller håndtere skrøbelige objekter, for eksempel, " sagde Hughes. "Denne tilgang reducerer også mængden af ​​maskinlæring, der kræves for at kontrollere hånden; ved at udvikle mekaniske systemer med indbygget intelligens, det gør kontrol meget nemmere for robotter at lære."