一只能媲美人手的機器手，是機器人研究領域長久以來追求的圣杯。但人手有20多個自由度、復雜的肌腱傳動，加上精妙的觸覺反饋，要完全復制其功能實在太難。

現(xiàn)在，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院英國劍橋大學的研究團隊帶來了令人眼前一亮的新思路不必完全復制人手，可以根據(jù)任務需求設計出更有針對性的手型！該成果登上了機器人領域頂刊Science Robotics最新一期的封面

他們提出了"開放參數(shù)化手"(Open Parametric Hand, OPH)設計框架，通過56個可調整參數(shù)，可以定制從人手到各種靈長類動物手爪，甚至創(chuàng)造出自然界不存在的手型，如雙拇指手！這一設計的巧妙之處在于，它既保持簡單易造（單件3D打印、低自由度控制），又能實現(xiàn)復雜的操作行為。

更厲害的是，這些不同形態(tài)的手掌各有所長：標準人手能舉起8公斤重物還能寫字，雙拇指設計能實現(xiàn)多點同時抓取，而細長的指猴手則能深入狹窄空間取物。這項研究表明，未來的機器手可能不必追求"像人手"，而是根據(jù)任務量身定制專屬形態(tài)。

▍一體成型+簡單控制：把復雜變簡單

機器手研究面臨一個兩難困境：要么設計極其復雜昂貴（像NASA的Robonaut手），要么功能過于簡單（像常見的三指夾爪）。而OPH提供了一條中間路徑。

這個設計的第一個核心優(yōu)勢是制造簡單。整個手骨架可以在一般的FDM 3D打印機上一體成型，使用的是普通的聚丙烯材料。打印完成后，只需穿入尼龍線作為"肌腱"，連接幾個彈簧和執(zhí)行器，一個完整的機械手就組裝完成了。從設計到打印完成僅需6-9小時。

第二個優(yōu)勢是控制簡單。盡管設計了類似于人手的結構（四個關節(jié)的五指），但執(zhí)行系統(tǒng)被簡化為最少1-2個自由度，通過協(xié)同控制和系列彈性執(zhí)行機構實現(xiàn)多樣化的動作。

論文作者之一Kieran Gilday解釋說："我們不是要精確復制人手的每一個運動，而是希望捕捉其中最本質的部分——手的形態(tài)和被動特性如何與主動控制結合產(chǎn)生多樣化行為。"

最值得一提的是，這種設計使得研究人員能夠快速制作和測試不同形態(tài)的手，包括：

• 標準人手
• 雙拇指"鏡像"手（以中指為軸線，兩側各有一個拇指）
• 靈長類動物指猴手（手指細長）

▍手指僵硬度可變660%：形態(tài)決定功能

令人驚訝的是，這種簡單的設計卻能產(chǎn)生豐富的動態(tài)行為。通過改變腱鞘配置，手指的被動剛度可以變化高達660%，而通過參數(shù)化設計調整，剛度還可以進一步變化400%。

為了測量這種變化，研究團隊讓機器人手臂從不同角度推動手指，并記錄所需的力量。結果顯示，從最軟到最硬的狀態(tài)，手指剛度可以從0.0086 N/mm變化到0.65 N/mm，這個范圍接近人類手指的變化幅度（人手約為0.3-3 N/mm）。

這種可變剛度對機器手的功能至關重要。例如：

• 抓取易碎物品時需要柔軟的接觸
• 舉重或使用工具時需要堅硬的握持
• 動態(tài)接球時需要適當?shù)木彌_

研究團隊設計了三種不同的執(zhí)行系統(tǒng)：

1.單輪控制：一個驅動器同時控制所有手指，形成整體抓取姿態(tài)

2.可切換剛度控制：通過切換開關改變不同手指的剛度配置，在精細和力量抓取間切換

3.雙輪控制：兩個獨立驅動器控制不同手指組合，實現(xiàn)更多樣化的抓取姿態(tài)

測試顯示，即使使用最簡單的單輪控制，這款機器手也能承受高達80牛頓（約8公斤）的重物，遠超許多復雜昂貴的商業(yè)機器手。

▍三種手型展現(xiàn)獨特"超能力"

研究的最精彩部分是不同形態(tài)的手掌展現(xiàn)出各自獨特的操作優(yōu)勢。

標準人手能完成多樣化任務。它不僅能舉起8公斤重物，還能拿筆寫字，這在沒有摩擦皮膚的情況下相當不易。

雙拇指手則展現(xiàn)出非凡的多點操作能力。它能用兩個拇指與其他手指形成多個夾持點，實現(xiàn)單手同時操作多個物體，這是常規(guī)人手難以做到的。正如研究人員所說："雙拇指設計在多個測試中表現(xiàn)最佳，特別是抓取與手掌大小相當?shù)奈矬w時。"

指猴手則在特殊環(huán)境中有獨特優(yōu)勢。這種手設計模仿了一種善于在樹洞中覓食的靈長類動物。其細長的手指特別適合在狹窄空間中操作，如模擬在樹洞中取蟲子。盡管在常規(guī)抓取測試中總體表現(xiàn)較弱，但在抓取極小物體（如草莓梗）時表現(xiàn)最佳。

這些結果證明了一個關鍵觀點：手的形態(tài)與功能密切相關，不同形態(tài)適合不同任務。更重要的是，這種關系可以被系統(tǒng)地設計和優(yōu)化。

研究團隊將這一設計空間描述為具有兩個軸線：

1.進化軸：從靈長類動物到人類的長期演化變化

2.發(fā)展軸：從生長發(fā)育到人工增強的短期變化

這一框架不僅可以模擬自然界中存在的各種手型，還可以探索未來可能的設計，如通過人工進化或專家設計的增強型手掌。

這項的目標不僅是創(chuàng)造更好的機器手，研究人員還希望理解手部形態(tài)與操作能力之間的內在聯(lián)系。這可能幫助理解人類手部進化的原理，并設計出超越人類能力的新型機械手。"

這項研究的源代碼和設計文件已經(jīng)開源，感興趣的朋友都可以基于此框架開發(fā)自己的手型。項目地址：https://github.com/kg398/100_fingers

雖然這一設計仍有局限（如缺乏皮膚和觸覺反饋），但研究團隊已展示了定制化機器手的巨大潛力。在未來的應用中，我們可能會看到針對特定任務優(yōu)化的手型，如適合農(nóng)業(yè)采摘的專用手、適合精密裝配的工業(yè)手，甚至是根據(jù)殘肢情況定制的個性化假肢。

或許有時候，最好的創(chuàng)新不是簡單地模仿自然，而是理解并超越自然設計的原理，創(chuàng)造出自然界中不存在但更適合特定任務的解決方案。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ads6437