柔性材料+3D打印，打造“机械钢琴师”

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几十年来，科学家和工程师一直在制造钢琴演奏机器人，在以往的尝试中，机械手主要通过电机驱动。近日，剑桥大学工程系研究员 Josie Hughes 及其团队造出了一只与众不同的机器手，可以轻松弹奏一曲“Jingle Bells”，并在音量控制、弹奏断音和连音等方面表现出了更强的灵活性。

机械手在设计充分参照了人手的结构，每根手指上有 3-4 个关节。值得一提的是，每只手指部位不需要单独的电机进行控制，整只机械手仅由一个机械手臂进行控制即可。该研究成果以论文的形式发表在了 Science Robotics 上。

“我们的目标是摆脱传统机器人设计理念，即一个电机只能控制一个动作，这种模式的扩展性很差，” Josie Hughes 解释说。

如今，这只机器手离真正的钢琴家当然还有十万八千里远，但是已经可以表现出多种的风格和运动模式，随手来一首“Jingle Bells”已经不在话下。

（来源：Josie Hughes）

来自意大利圣安娜高等学校机器人研究所教授 Cecilia Laschi 表示，这项研究可以视为是在设计软体机器人的新尝试，旨在让机器人像人体一样灵活。有朝一日，更加先进的机器人将可能可以通过触摸探索周围环境，或者进行医疗诊断。

Hughes 说：“我们人类的智能不仅体现在大脑上，还分布在全身各处，尤其是各种复杂的身体结构和人体力学。”因此研究团队在设计机器手时充分参照了人手的构造，里面还有所谓的骨骼和韧带。

（来源：Josie Hughes）

接下来，他们评估了不同部位所需的软硬程度。在没有电机的情况下，机器手要依靠不同的软硬变化来实现多种不同的动作和功能。“我们希望复制人手的特性，时而强壮有力，时而轻盈细腻，”Hughes 解释道。

为了达到这样到效果，研究人员选择通过 3D 打印的方式制作机器手。在制作过程中，他们混合了不同比例的硬塑料和软橡胶，以生产具有不同硬度的韧带和关节，然后再将其连接到普通的机械手臂上，后者常被用在工业装配线上。

研究团队将钢琴演奏分解成三类动作：单指敲击，跳跃和拇指滑动，并且使用了三段音乐来衡量机器手的能力。

第一首是意大利作曲家斯卡拉蒂的 Toccata。工程师发现，想要接近人类的弹奏方式，必须提高其食指的硬度，因为弹奏中有很多断音。他们还降低了其他手指的硬度，以确保机器手也可以弹出柔软的连音。

之后研究人员使用了不同风格的曲子，来测试机器手演奏八度音阶的能力。他们发现，大跳需要手指间的韧带具有较高弹性，但手指本身的关节则应该保持中等硬度，以确保音符的清晰。

Hughes 表示，与许多现有的钢琴机器人相比，这款机器手在音量控制，拇指移动，弹奏断音和连音方面表现出了极佳的灵活性。她接下来计划增加传感器，电机和像肌腱一样的部件，来让它掌握多种演奏方式。

她的最终目标是创造一种具有表现力的钢琴机器人，而不仅仅局限于弹出正确的旋律。

“我们不仅要将音符视为一系列指令，更要让机器人表现出一种复杂且有深度的艺术性，因为弹奏钢琴就是一种艺术。”Hughes 说。

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编辑：Ren

参考：https://www.nytimes.com/2018/12/19/science/piano-robot-hand.html

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