柔性材料＋3D列印，打造“機械鋼琴師”

幾十年來，科學家和工程師一直在製造鋼琴演奏機器人，在以往的嘗試中，機械手主要通過電機驅動。近日，劍橋大學工程系研究員 Josie Hughes 及其團隊造出了一隻與眾不同的機器手，可以輕鬆彈奏一曲“Jingle Bells”，並在音量控制、彈奏斷音和連音等方面表現出了更強的靈活性。

機械手在設計充分參照了人手的結構，每根手指上有 3-4 個關節。值得一提的是，每隻手指部位不需要單獨的電機進行控制，整隻機械手僅由一個機械手臂進行控制即可。該研究成果以論文的形式發表在了 Science Robotics 上。

“我們的目標是擺脫傳統機器人設計理念，即一個電機只能控制一個動作，這種模式的擴展性很差，” Josie Hughes 解釋說。

如今，這隻機器手離真正的鋼琴家當然還有十萬八千里遠，但是已經可以表現出多種的風格和運動模式，隨手來一首“Jingle Bells”已經不在話下。

（來源：Josie Hughes）

來自意大利聖安娜高等學校機器人研究所教授 Cecilia Laschi 表示，這項研究可以視為是在設計軟體機器人的新嘗試，旨在讓機器人像人體一樣靈活。有朝一日，更加先進的機器人將可能可以通過觸摸探索周圍環境，或者進行醫療診斷。

Hughes 說：“我們人類的智能不僅體現在大腦上，還分布在全身各處，尤其是各種複雜的身體結構和人體力學。”因此研究團隊在設計機器手時充分參照了人手的構造，裡面還有所謂的骨骼和韌帶。

（來源：Josie Hughes）

接下來，他們評估了不同部位所需的軟硬程度。在沒有電機的情況下，機器手要依靠不同的軟硬變化來實現多種不同的動作和功能。“我們希望複製人手的特性，時而強壯有力，時而輕盈細膩，”Hughes 解釋道。

為了達到這樣到效果，研究人員選擇通過 3D 列印的方式製作機器手。在製作過程中，他們混合了不同比例的硬塑料和軟橡膠，以生產具有不同硬度的韌帶和關節，然後再將其連接到普通的機械手臂上，後者常被用在工業裝配線上。

研究團隊將鋼琴演奏分解成三類動作：單指敲擊，跳躍和拇指滑動，並且使用了三段音樂來衡量機器手的能力。

第一首是意大利作曲家斯卡拉蒂的 Toccata。工程師發現，想要接近人類的彈奏方式，必須提高其食指的硬度，因為彈奏中有很多斷音。他們還降低了其他手指的硬度，以確保機器手也可以彈出柔軟的連音。

之後研究人員使用了不同風格的曲子，來測試機器手演奏八度音階的能力。他們發現，大跳需要手指間的韌帶具有較高彈性，但手指本身的關節則應該保持中等硬度，以確保音符的清晰。

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

她的最終目標是創造一種具有表現力的鋼琴機器人，而不僅僅局限於彈出正確的旋律。

“我們不僅要將音符視為一系列指令，更要讓機器人表現出一種複雜且有深度的藝術性，因為彈奏鋼琴就是一種藝術。”Hughes 說。