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雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：每年以 2 - 3 件仿生機器人生產(chǎn)速度不停擴張仿生產(chǎn)品線的 Festo ，是一家德國自動化技術(shù)供應(yīng)商，近年來以外觀精巧奪目的仿生機器人頻頻登上科技新聞熱搜榜。近日，由其發(fā)布的一款最新仿生產(chǎn)品——氣動機械臂，更是引入了強化學(xué)習(xí)及大規(guī)模并行學(xué)習(xí)等 AI 技術(shù)，使得仿生機器人的技能習(xí)得與技能同步變得更加便捷。
機械臂對于一組仿人機器協(xié)作組合的重要性不言而喻，作為機器人的末端執(zhí)行器( End-Effector )，我們需要它在日常生活中替代人類雙手去完成抓握、轉(zhuǎn)動、觸摸、按壓等任務(wù)。然而目前的機械臂依然面臨靈巧性欠缺、抓重比失衡、傳感器覆蓋率低、環(huán)境順從性低、高度集成性等難點，無法在實際中實現(xiàn)量產(chǎn)，也是各家機器人企業(yè)所卯足精力所要克服的技術(shù)難點。
而 Festo 的這款 BionicSoftHand 則為我們提供了一條新思路。
在硬件方面，BionicSoftHand 利用氣動學(xué)，以氣動波紋管結(jié)構(gòu)代替人體骨頭進行動作操控，當(dāng)氣室充滿空氣時，手指呈彎曲狀態(tài)；當(dāng)氣室被排空時，手指則呈伸展?fàn)顟B(tài)。此外，BionicSoftHand 在拇指與食指處配有旋轉(zhuǎn)模塊，可以讓手指橫向移動，由此實現(xiàn)了多達 12 個自由度。
值得一提的是，這些氣動波紋管結(jié)構(gòu)被封裝在具有彈性和高強度纖維的 3D 織物中，這也意味著，織物可以精確地定位并決定結(jié)構(gòu)應(yīng)該在哪些點上膨脹，從而產(chǎn)生力，并防止其過度膨脹。此外開發(fā)人員還特別設(shè)計了一個小型數(shù)字控制閥島安裝在機械臂下方， 因而控制氣動波紋管結(jié)構(gòu)的氣管無需貫穿整個機械臂，可以快速、輕松地進行連接與使用。
至于軟件方面，AI 毫無疑問是其主打亮點。
首先是強化學(xué)習(xí)方法的運用，這意味著 BionicSoftHand 不僅僅是機械地模仿動作，通過給出一個具體目標(biāo)，它會自己反復(fù)進行試驗來達成目標(biāo)。過程中，機械臂將根據(jù)反饋逐漸優(yōu)化動作，直至成功解決任務(wù)。
此外，借助深度感應(yīng)攝像機數(shù)據(jù)以及人工智能算法，BionicSoftHand 會在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建出一個“數(shù)字雙胞胎”，使我們可以在虛擬環(huán)境中對其進行運動策略的相關(guān)訓(xùn)練，相比線下，將有效加快模型的訓(xùn)練速度。
而所謂大規(guī)模并行學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，更是讓這些在模擬環(huán)境里習(xí)得的技能可以第一時間同步所有的虛擬機械臂，進而轉(zhuǎn)移至實際中的機械臂中進行使用。
這也意味著，所有失誤都只會出現(xiàn)一次，便會立刻被修復(fù)并同步至所有模型；而新技能只要被習(xí)得，就能無限復(fù)制至全球范圍的機械臂。
為了更客觀對 BionicSoftHand 進行評價，雷鋒網(wǎng) AI 科技評論為此專門采訪了意大利技術(shù)研究院（Italian Institute of Technology）仿人機電研究中心（Humanoid & Human Centered Mechatronics）的博士后研究員任賾宇。
氣動原理在靈巧機械手的設(shè)計上不存在明顯優(yōu)勢
任賾宇在受訪時坦言，BionicSoftHand 單從最終所展示的 Demo 來看，并未讓他感到眼前一亮，因為該 Demo 的核心主要是關(guān)于在運動控制上如何應(yīng)用強化學(xué)習(xí)的方法，使高自由度的機械手能夠輕易地進行復(fù)雜的手部操作（In-hand manipulation），但如果與 OpenAI 去年使用 Shadow Hand 還原魔方的 Demo 比較的話（視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=sbfMo8u3LKw），他認(rèn)為還是有一定差距的。
在機械手本體的硬件設(shè)計上，對于氣動類原理驅(qū)動的機械手，任賾宇表示這在機械手設(shè)計領(lǐng)域中屬于較為小眾的方案，優(yōu)勢不太明顯，且定位比較尷尬——能量密度比不上液壓方案，系統(tǒng)集成的簡潔緊湊程度比不上電機方案。
不過對于 BionicSoftHand 的氣動波紋管結(jié)構(gòu)，他則表示贊賞，他認(rèn)為這是一款新穎、基于氣動原理的傳動方案，簡潔緊湊且合理，從 demo 看來實現(xiàn)的效果很好。從本質(zhì)上來說，它是利用軟體材料的形變特性，氣體作為相應(yīng)的動力傳遞介質(zhì)。
至于 BionicSoftHand 成功實現(xiàn)的12 個自由度，他則表示得綜合看待。
從生物解剖學(xué)的相關(guān)文獻來看，人類的手是具有21個自由度（不包括手腕）的極高自由度密度的器官。Festo 這款機械手每根手指的曲折方向共有2個自由度，食指和拇指的側(cè)向擺動又各有1個自由度，加起來一共是5*2+2=12個自由度。
賾宇個人認(rèn)為 12 個自由度是比較合適的自由度分布，既保證了操作功能上的靈巧性，又不至于使系統(tǒng)集成與控制由于高自由度而變得冗雜，導(dǎo)致實現(xiàn)成本較高。不過他強調(diào)，單單論自由度的數(shù)目，德國宇航局（DLR）曾經(jīng)靠 42 個電機實現(xiàn)了 21 個自由度。所以我們要關(guān)注的，是為了實現(xiàn)這12個自由度，F(xiàn)esto 使用的 24 個相應(yīng)的比例氣缸，對應(yīng)占用了多大的空間和質(zhì)量，從最后展示的緊湊機電系統(tǒng)來看，賾宇認(rèn)為是良好且合格的設(shè)計與實現(xiàn)。
總的來說，由于 Festo 有大量的仿生學(xué)研究基礎(chǔ)，所以他所做的機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常符合仿生學(xué)原理的。相較其他機器人研發(fā)單位，仿生機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計是 Festo 一個顯著的技術(shù)優(yōu)勢。
人工智能在機器人領(lǐng)域的運用
對于 BionicSoftHand 主打的“共享式”人工智能，任賾宇表示很認(rèn)可，畢竟未來的機器人世界肯定講究多機器人協(xié)作，這種上層訓(xùn)練的軌跡規(guī)劃、電機拖動以及相應(yīng)的更高認(rèn)知層面的算法，如果能夠做到“一臺大腦云共享”，是能夠極大提高生產(chǎn)效率的。
不過被問到相比傳統(tǒng)的控制算法，強化學(xué)習(xí)技術(shù)在機器人領(lǐng)域的運用還存在哪些難點，任賾宇從他的科研背景與角度也給出了自己的思考，他覺得在目前硬件上的落地還存在一些局限性：
訓(xùn)練周期長
可供采集的樣本少
復(fù)雜機電系統(tǒng)帶來的corner case
如何設(shè)置reward
仿真模型和實際模型差距較大
至于人工智能要想在機器人領(lǐng)域全面鋪開，他表示整體在如下兩點上還面臨極大的挑戰(zhàn)：
算法層面，面向更為靈活、更高維度、甚至涉及道德倫理的應(yīng)用場景，現(xiàn)階段的算法其實是“不智能”的。我們本質(zhì)上還沒有研究透人類大腦發(fā)展和進化的模式，現(xiàn)在的訓(xùn)練在數(shù)據(jù)量大、較為機械的應(yīng)用場景取得了很好的效果，但這目前還是不夠的。
硬件平臺層面，我們生活的世界目前還是物質(zhì)的，人工智能的全面落地還是需要一個物理世界的實際載體的。但相較于現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的上層應(yīng)用（AI）而言，物理平臺的各方面能力實際上是有所欠缺的，屬于木桶效應(yīng)中的短板。
任賾宇最后強調(diào)，他主要是按照對比波士頓動力（Boston Dynamics Institute）的要求去評判的， 相對來說是非?？量痰摹Ｈ绻叛廴蛞砸粋€平均水準(zhǔn)來看，BionicSoftHand 實際上已經(jīng)是相當(dāng)好的工作了。他舉了一個例子，BionicSoftHand 的手指上集成了非常緊湊的IMU 和tactile sensor，這樣的尺寸從工程技術(shù)實現(xiàn)角度而言是十分不容易的了。
Festo 仿生家族的其他成員
Festo是一家歷史悠久的家族企業(yè)，由德國人Gottlieb Stoll一手創(chuàng)立，成立于1925年，是當(dāng)今世界上著名的氣動元件、組件和系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商。從2006年開始，F(xiàn)esto就與幾家大學(xué)、研究所及開發(fā)公司一起合作創(chuàng)立了Bionic（仿生）學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，這些仿生機器人就是出自這個項目。一起來看看這個項目曾經(jīng)誕生過哪些明星產(chǎn)品吧！
仿生蝙蝠機器人 — BionicFlyingFox
狐蝠機器人的運動由多個不同型號的電機控制，并采用機械耦合的形式結(jié)合在一起。較大的無刷直流電機可以控制機器人翅膀的拍打動作，小型電機們分別調(diào)節(jié)翅膀的每個關(guān)節(jié)，來達到控制飛行高度與方向的目的。其運用了模仿飛行哺乳動物翅膀特性的膜制作BionicFlyingFox的翅膀，這種彈性纖維材料（超級氨綸纖維），不會折皺或者撕裂，由兩層密封薄膜和一塊針織彈性纖維織物組成?？椢锉旧砭哂袕椥?，表面是蜂窩結(jié)構(gòu)，有大約45000個節(jié)點，這樣無論蝙蝠有多大動作都不用擔(dān)心變形，且穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)使面料受到輕微損傷時，裂縫也不會變大能保持繼續(xù)飛行。
仿生蜘蛛機器人 — BionicWheelBot
BionicWheelBot 是一款獨具特色的行走機器人，以摩洛哥后翻蜘蛛為靈感，能夠模仿摩洛哥后翻蜘蛛以翻滾模式在復(fù)雜地形上移動。其由15個小型電機控制著各個膝關(guān)節(jié)和身體。還有14個自動鎖定渦輪確保機器人在移動某些腿部時，身體保持靜止和直立。由于集成慣性傳感器，它能知道自己滾到什么位置時可以再次伸出相應(yīng)的腿向前擺渡。而且它在滾動時比走路時快得多，甚至可以克服高達5％的上坡傾斜。當(dāng)機器人從行走模式向翻滾模式轉(zhuǎn)變，BionicWheelBot 會將身體左右兩側(cè)的三條支腳轉(zhuǎn)變?yōu)?" 車輪 "。而兩條在行走模式下折收起來的支腳現(xiàn)在重新獲得釋放，并在地面上推動變?yōu)榍蛐蔚闹┲腴_始運動，同時在翻滾過程中提供沖力。
仿生海扁蟲機器人 — BionicFinWave
以兩片柔軟的矽膠（Silicone）代替烏賊肉鰭，透過左右各9個支點協(xié)助進行波浪狀拍動，厲害的是，這復(fù)雜的結(jié)構(gòu)僅由2顆伺服馬達驅(qū)動，并由另一顆馬達負(fù)責(zé)身體彎曲，控制機器人往上、下方游動。以這種方式，它們可以產(chǎn)生不同的波形，特別適合于慢速和精確運動，并且相比傳統(tǒng)的螺旋傳動器所攪拌的水量更少，更加節(jié)能。而且由于材料柔軟，使它能夠在狹小的管道內(nèi)也能暢游無阻。為了使曲軸具有相應(yīng)的柔性和靈活性，每個桿段之間都設(shè)有萬向接頭。為此，包括接頭和曲柄連桿在內(nèi)的曲軸以塑料打造而成，采用一體成型3D打印工藝。
仿生袋鼠機器人 — BionicKangaroo
機器人為氣動系統(tǒng)所控制，在觸地爪部內(nèi)層的壓縮空氣推力作用下，實現(xiàn)向上向前地跳躍動作。這款機器人每完成一次跳躍動作，其爪部便會儲存空氣能量以繼續(xù)下一次的跳躍動作。袋鼠重7公斤高1米，之所以能跳，是因為它裝配了一個彈簧和氣動缸。在跳躍能力上，可以說是非常厲害了——水平跳躍可達0.4米，垂直跳躍則達到了0.8米，更重要的是，它還能完成連續(xù)跳躍。
仿生螞蟻機器人 — BionicANTs
每只螞蟻約巴掌大小，環(huán)繞身體的條紋是3D打印上去的電路。其胸部內(nèi)置了一個光電鼠標(biāo)傳感器以便位置追蹤。而螞蟻的眼睛是一部攝像頭的兩部分， 根據(jù)攝像頭提供的空間信息，螞蟻移動位置、鎖定并抓任務(wù)目標(biāo)。 他們彼此之間通過無線進行交流，而地板上的傳感器則能幫助他們「體察」周圍環(huán)境。值得一提的是，螞蟻肢體由六個壓電陶瓷驅(qū)動器（actuator ）組成，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確地彎曲，并保持步伐緊湊，非常地節(jié)能。需要強調(diào)的是，當(dāng)前將壓電陶瓷驅(qū)動器應(yīng)用到如此微小機器人的很罕見。
仿生企鵝機器人 — AquaPenguin + AirPenguin
它內(nèi)置了自主判定系統(tǒng)，可根據(jù)水流自行導(dǎo)航定位，另外還設(shè)計了3D聲納系統(tǒng)，可以靠聲波感知其它企鵝，防止撞到一塊。一旦機器人放飛自我，又將化身為天空翱翔的 AirPenguin，由一個形似飛艇的氣囊和鰭狀肢組成，兩邊的腳蹼可以提供向前的推力，尾鰭和鼻尖處均可自由活動。此外，該機器人還配備了復(fù)雜的導(dǎo)航和通信設(shè)施，允許他們自主或根據(jù)固定規(guī)則進行自主探索。
仿生蝴蝶機器人 — eMotionButterfly
eMotionButterfly配有高度集成的電子面板，使它們能夠各自地，且精確地激活翅膀，從而實現(xiàn)快速運動。為了保證飛行過程的可靠穩(wěn)定，持續(xù)的通訊是必不可少的，eMotionButterfly面板上無線電和傳感器技術(shù)以及引導(dǎo)和監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合實現(xiàn)了單個飛行體的定位。一旦機器人離開設(shè)定路徑，計算機會立即對其糾正。 為此，攝像跟蹤系統(tǒng)每秒會對機器人的精確實際位置進行160次測量，重新調(diào)整每個偏差。 因此飛行路徑的規(guī)劃是不斷更新的，此外計算機還能及時檢測到潛在的碰撞風(fēng)險，以設(shè)定出適當(dāng)?shù)幕乇懿呗浴?/span>
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