Wetenschappers hebben een 3D-geprinte robothand ontwikkeld die eenvoudige muzikale zinnen op de piano kan spelen door simpelweg zijn pols te bewegen. En hoewel de robot geen virtuoos is, het laat zien hoe uitdagend het is om alle vaardigheden van een menselijke hand na te bootsen, en hoeveel complexe beweging nog kan worden bereikt door middel van ontwerp.

De robothand, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, werd gemaakt door zachte en stijve materialen samen te 3D-printen om alle botten en ligamenten - maar niet de spieren of pezen - in een menselijke hand te repliceren. Hoewel dit het bewegingsbereik van de robothand beperkte in vergelijking met een menselijke hand, de onderzoekers ontdekten dat een verrassend breed bewegingsbereik nog steeds mogelijk was door te vertrouwen op het mechanische ontwerp van de hand.

Met behulp van deze 'passieve' beweging - waarbij de vingers niet onafhankelijk kunnen bewegen - kon de robot verschillende stijlen van pianospel nabootsen zonder het materiaal of de mechanische eigenschappen van de hand te veranderen. De resultaten, gerapporteerd in het journaal Wetenschap Robotica , zou kunnen helpen bij het ontwerpen van robots die in staat zijn tot meer natuurlijke bewegingen met minimaal energieverbruik.

Complexe bewegingen in dieren en machines zijn het resultaat van het samenspel tussen de hersenen (of controller), de omgeving en het mechanische lichaam. De mechanische eigenschappen en het ontwerp van systemen zijn belangrijk voor intelligent functioneren, en help zowel dieren als machines om op complexe manieren te bewegen zonder onnodige hoeveelheden energie te verbruiken.

"We kunnen passiviteit gebruiken om een ​​breed scala aan bewegingen in robots te bereiken:lopen, zwemmen of vliegen, bijvoorbeeld, " zei Josie Hughes van Cambridge's Department of Engineering, de eerste auteur van de krant. "Slim mechanisch ontwerp stelt ons in staat om het maximale bewegingsbereik te bereiken met minimale controlekosten:we wilden zien hoeveel beweging we alleen met mechanica konden krijgen."

In de afgelopen jaren, zachte componenten zijn begonnen te worden geïntegreerd in het ontwerp van robotica dankzij de vooruitgang in 3D-printtechnieken, waardoor onderzoekers complexiteit aan deze passieve systemen konden toevoegen.

De menselijke hand is ongelooflijk complex, en het opnieuw creëren van al zijn behendigheid en aanpassingsvermogen in een robot is een enorme onderzoeksuitdaging. De meeste geavanceerde robots van tegenwoordig zijn niet in staat om taken te manipuleren die kleine kinderen gemakkelijk kunnen uitvoeren.

"De basismotivatie van dit project is om belichaamde intelligentie te begrijpen, dat is, de intelligentie in ons mechanische lichaam, " zei Dr. Fumiya Iida, die het onderzoek leidde. "Ons lichaam bestaat uit slimme mechanische ontwerpen zoals botten, banden, en skins die ons helpen ons intelligent te gedragen, zelfs zonder actieve hersengestuurde controle. Door gebruik te maken van de modernste 3D-printtechnologie om mensachtige zachte handen te printen, we kunnen nu het belang van fysieke ontwerpen onderzoeken, los van actieve controle, wat onmogelijk is met menselijke pianospelers, omdat de hersenen niet kunnen worden 'uitgeschakeld' zoals onze robot."

"Pianospel is een ideale test voor deze passieve systemen, omdat het een complexe en genuanceerde uitdaging is die een aanzienlijk scala aan gedragingen vereist om verschillende speelstijlen te bereiken, ' zei Hughes.

De robot werd 'geleerd' om te spelen door na te gaan hoe de mechanica, materiële eigenschappen, omgeving en polsbediening hebben allemaal invloed op het dynamische model van de hand. Door de pols te bedienen, het is mogelijk om te kiezen hoe de hand samenwerkt met de piano, waardoor de belichaamde intelligentie van de hand kan bepalen hoe deze in wisselwerking staat met de omgeving.

De onderzoekers programmeerden de robot om een ​​aantal korte muzikale frases te spelen met geknipte (staccato) of vloeiende (legato) noten, bereikt door de beweging van de pols. "Het is gewoon de basis op dit moment, maar zelfs met deze ene beweging, we kunnen nog steeds behoorlijk complex en genuanceerd gedrag krijgen, ' zei Hughes.

Ondanks de beperkingen van de robothand, de onderzoekers zeggen dat hun aanpak verder onderzoek zal stimuleren naar de onderliggende principes van skeletdynamiek om complexe bewegingstaken te bereiken, evenals leren waar de beperkingen voor passieve bewegingssystemen liggen.

"Deze benadering van mechanisch ontwerp kan de manier waarop we robotica bouwen veranderen, "zei Iida. "De fabricagebenadering stelt ons in staat om mechanisch intelligente structuren te ontwerpen op een manier die zeer schaalbaar is."

"We kunnen dit onderzoek uitbreiden om te onderzoeken hoe we nog complexere manipulatietaken kunnen uitvoeren:robots ontwikkelen die medische procedures kunnen uitvoeren of fragiele objecten kunnen hanteren, bijvoorbeeld, "zei Hughes. "Deze aanpak vermindert ook de hoeveelheid machine learning die nodig is om de hand te besturen; door mechanische systemen te ontwikkelen met ingebouwde intelligentie, het maakt besturing veel gemakkelijker voor robots om te leren."