Forskare har utvecklat en 3-D-tryckt robothand som kan spela enkla musikaliska fraser på pianot genom att bara röra handleden. Och medan roboten inte är någon virtuos, det visar hur utmanande det är att replikera alla förmågor hos en mänsklig hand, och hur mycket komplex rörelse som fortfarande kan uppnås genom design.

Robothanden, utvecklad av forskare vid University of Cambridge, gjordes genom att 3-D-printa mjuka och styva material tillsammans för att replikera alla ben och ligament – ​​men inte musklerna eller senor – i en mänsklig hand. Även om detta begränsade robothandens rörelseomfång jämfört med en mänsklig hand, forskarna fann att ett förvånansvärt brett rörelseområde fortfarande var möjligt genom att förlita sig på handens mekaniska design.

Genom att använda denna "passiva" rörelse – där fingrarna inte kan röra sig självständigt – kunde roboten härma olika stilar av pianospel utan att ändra handens material eller mekaniska egenskaper. Resultaten, redovisas i tidskriften Vetenskapsrobotik , kan hjälpa till att informera om designen av robotar som är kapabla till mer naturlig rörelse med minimal energianvändning.

Komplexa rörelser hos djur och maskiner är resultatet av samspelet mellan hjärnan (eller styrenheten), miljön och den mekaniska kroppen. Systemens mekaniska egenskaper och design är viktiga för intelligent funktion, och hjälpa både djur och maskiner att röra sig på komplexa sätt utan att förbruka onödiga mängder energi.

"Vi kan använda passivitet för att uppnå ett brett utbud av rörelser i robotar:gå, simma eller flyga, till exempel, " sa Josie Hughes från Cambridges Department of Engineering, tidningens första författare. "Smart mekanisk design gör det möjligt för oss att uppnå maximal rörelseomfång med minimala kontrollkostnader:vi ville se hur mycket rörelse vi skulle kunna få med enbart mekanik."

Under de senaste åren, mjuka komponenter har börjat integreras i robotdesign tack vare framsteg inom 3D-utskriftstekniker, vilket har gjort det möjligt för forskare att lägga till komplexitet till dessa passiva system.

Den mänskliga handen är otroligt komplex, och att återskapa all dess skicklighet och anpassningsförmåga i en robot är en enorm forskningsutmaning. De flesta av dagens avancerade robotar är inte kapabla att manipulera uppgifter som små barn kan utföra med lätthet.

"Den grundläggande motivationen för detta projekt är att förstå förkroppsligad intelligens, det är, intelligensen i vår mekaniska kropp, " sa Dr Fumiya Iida, som ledde forskningen. "Våra kroppar består av smarta mekaniska konstruktioner som ben, ligament, och skinn som hjälper oss att bete oss intelligent även utan aktiv hjärnstyrd kontroll. Genom att använda den senaste 3-D-utskriftstekniken för att skriva ut mänskliga mjuka händer, vi kan nu utforska vikten av fysisk design, isolerat från aktiv kontroll, vilket är omöjligt att göra med mänskliga pianospelare eftersom hjärnan inte kan "stängas av" som vår robot."

"Pianospel är ett idealiskt test för dessa passiva system, eftersom det är en komplex och nyanserad utmaning som kräver ett stort antal beteenden för att uppnå olika spelstilar, sa Hughes.

Roboten "lärdes" att spela genom att överväga hur mekaniken, materialegenskaper, miljö och handledsaktivering påverkar alla den dynamiska modellen av handen. Genom att påverka handleden, det är möjligt att välja hur handen interagerar med pianot, låter handens förkroppsligade intelligens avgöra hur den interagerar med omgivningen.

Forskarna programmerade roboten att spela ett antal korta musikaliska fraser med klippta (staccato) eller släta (legato) toner, uppnås genom handledens rörelse. "Det är bara grunderna vid det här laget, men även med denna enda rörelse, vi kan fortfarande få ett ganska komplext och nyanserat beteende, sa Hughes.

Trots robothandens begränsningar, forskarna säger att deras tillvägagångssätt kommer att driva ytterligare forskning om de underliggande principerna för skelettdynamik för att uppnå komplexa rörelseuppgifter, samt att lära sig var begränsningarna för passiva rörelsesystem ligger.

"Det här tillvägagångssättet för mekanisk design kan förändra hur vi bygger robotik, ", sa Iida. "Tillverkningsmetoden tillåter oss att designa mekaniskt intelligenta strukturer på ett sätt som är mycket skalbart."

"Vi kan utöka denna forskning för att undersöka hur vi kan uppnå ännu mer komplexa manipulationsuppgifter:utveckla robotar som kan utföra medicinska procedurer eller hantera ömtåliga föremål, till exempel, ", sa Hughes. "Detta tillvägagångssätt minskar också mängden maskininlärning som krävs för att kontrollera handen; genom att utveckla mekaniska system med intelligens inbyggd, det gör kontroll mycket lättare för robotar att lära sig."