劍橋大學研究人員開發的機器人手由柔軟和剛性材料通過3D打印制成，用于復制人類手中的所有骨骼和韌帶——而不是肌肉或肌腱。盡管與人手相比，這限制了機器人手的運動范圍，但研究人員發現，依靠手的機械設計，仍然可以實現驚人的大范圍運動。
利用這種“被動”運動——手指不能獨立運動——機器人可以模仿不同風格的鋼琴演奏，而不改變手的材料或機械特性。《科學機器人》雜志報道的結果可以幫助設計出能夠以最少的能量更自然地移動的機器人。
動物和機器的復雜運動源于大腦(或控制器)、環境和機械體之間的相互作用。系統的機械特性和設計對于智能功能非常重要，可以幫助動物和機器以復雜的方式移動，而不會消耗不必要的能量。
“我們可以利用被動來實現廣泛的機器人運動:例如，行走，游泳或飛行，”劍橋工程系的喬西·休斯說，他是論文的第一作者。“智能機械設計使我們能夠以最小的控制成本實現最大的運動范圍:我們想看看機械師能獲得多大的運動。”
在過去的幾年中，由于3D打印技術的進步，軟件組件被集成到機器人設計中，這使得研究人員能夠增加這些被動系統的復雜性。
人類的手非常復雜，在機器人身上重現它們所有的靈活性和適應性是一個很大的研究挑戰。現在的先進機器人，大部分都無法完成孩子可以輕松完成的操作任務。
“這個項目的基本動機是了解特定的信息，也就是我們機械體的信息，”領導這項研究的飯田文宮博士說。“我們的身體是由智能機械設計組成的，如骨骼、韌帶和皮膚，即使沒有大腦的主動控制，它們也可以幫助我們智能地行動。通過使用最先進的3D打印技術打印人類柔軟的手，我們現在可以探索物理設計的重要性，并將其與主動控制隔離開來，這對于人類鋼琴演奏者來說是不可能的。大腦不可能像我們的機器人一樣被關掉。”
休斯說:“鋼琴演奏是對這些被動系統的理想測試，因為這是一個復雜而微妙的挑戰，需要很多行為來實現不同的演奏風格。”
通過考慮機械、材料屬性、環境和手腕運動如何影響手的動態模型來教會機器人玩耍。通過驅動手腕，可以選擇手和鋼琴之間的交互方式，允許手的特定智能決定其與環境的交互。
研究人員對機器人進行了編程，通過手腕的運動播放短片(斷奏)或流暢(連奏)的音符。“這在當時只是基礎知識，但即使是這個單一的動作，我們仍然可以獲得相當復雜和微妙的行為，”休斯說。
盡管機器人手存在局限性，但研究人員表示，他們的方法將進一步研究骨骼動力學的基本原理，實現復雜的運動任務，并學習被動運動系統的局限性。
“這種機械設計方法可以改變我們制造機器人的方式，”Iida說。“制造方法使我們能夠以高度可擴展的方式設計機械智能結構。”
“我們可以擴展這項研究，以研究如何實現更復雜的操作任務:開發可以執行醫療程序或處理易碎物品的機器人，”休斯說。“這種方法還減少了控制手所需的機器學習量；通過開發一個內置智能的機械系統，讓機器人更容易學會控制。