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柔性材料+3D打印,打造“机械钢琴师”

2018-12-23
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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。


-End-


编辑:Ren

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

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