無論是鋼琴家指尖流淌出的動人旋律，還是外科醫生在顯微鏡下的精准操作，甚至是母親為孩子系鞋帶時的溫柔細致……人類的雙手所展現出的靈巧與智慧都令人嘆為觀止。近半個世紀以來，科學家們一直渴望創造出像人手一樣靈活的機器手，讓它能“感受”水晶球的光滑表面，“撫摸”絲綢的柔軟質感，“抓握”雞蛋而不破損，“操控”精密器械實施復雜手術，在危險環境中完成精細作業。這是智能機器人最難攻克的堡壘，但也許就在不久的將來，這一願望就能實現！

讓機器擁有一雙靈巧的手

當你早晨起床，伸手去關鬧鐘時，你的大腦在瞬間就完成了一系列復雜計算：估算鬧鐘的位置，計算最佳的手臂軌跡，預測需要多大的力量來按下按鈕。當你的手指觸碰到按鈕表面時，皮膚上數以千計的觸覺感受器瞬間感知到材料的硬度、溫度和紋理，並實時調整按壓力度。這個看似平常的動作，實際上展現了人類感知與控制系統的驚人復雜性。

在人工智能飛速發展的今天，我們已見証了太多令人驚嘆的突破：1997年，IBM的深藍擊敗了國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫﹔2016年，DeepMind的AlphaGo在圍棋賽場上戰勝了世界冠軍李世石﹔近年來，大語言模型展現了令人震撼的語言理解能力。

然而，讓機器擁有一雙像人類一樣靈巧的手，這個看似簡單的目標其實是人工智能領域最難攻克的“硬骨頭”。

這並不奇怪。人類的手是進化過程中的杰作，包含了27塊骨頭、29個關節、123條韌帶、三大主要周圍神經和34條肌肉，這個復雜的系統能產生24個自由度的運動。更重要的是，我們的雙手布滿了觸覺感受器——每平方厘米皮膚上就有超過100個觸覺傳入神經，它們能感知壓力、溫度、質地、濕度、機械振動等多種信息，並將這些信息實時傳遞給大腦進行處理。

對於機器人而言，復現這樣的能力面臨多重挑戰。

首先是機械設計的挑戰：如何在有限的空間內集成足夠多的自由度，同時保証足夠的力量和精度？傳統的剛性關節難以實現人手的柔順性，而柔性材料又帶來了控制上的困難。

其次是傳感技術的挑戰：如何在機器手的表面集成大量高精度的觸覺傳感器，讓機器能夠“感受”物體的細微特征？

最后是控制算法的挑戰：如何從海量的高維度傳感數據中提取有效信息，並實時生成精確的動作指令，以實現自適應的、靈巧的交互？

這些問題相互交織，使得賦予機器一雙“像人類一樣靈巧的手”成了人工智能領域最復雜、最具挑戰性的課題之一。

從實驗室走向應用的機器手

靈巧手的發展可以追溯到20世紀60年代，當時工業機器人手臂被用於執行簡單的抓取任務，但其靈活性較差，功能有限。20世紀80年代，多自由度、多指設計的靈巧手開始出現，這標志著靈巧手的初步成形。這一時期，猶他大學和麻省理工學院聯合研發的 Utah/MIT手通常被認為是首個機器人靈巧手。該手配備了位置和力傳感器，為研究機器人手的靈活性與控制技術提供了重要支持。

緊隨其后，斯坦福大學與美國國家航天局噴氣推進實驗室（JPL）聯合開發了Stanford/JPL手，目標是替代人類執行太空作業。這一項目是空間機器人技術的早期探索之一。這些早期的靈巧手雖設計相對簡單，但為后續技術發展奠定了堅實基礎。

21世紀初，靈巧手技術迎來了新一輪快速發展。英國Shadow Robot公司推出了Shadow Dexterous Hand，成功復刻了人類手的大部分自由度。該靈巧手通過20個直流電機和仿生肌腱控制24個關節的運動（其中遠節指骨和中節指骨由一個直流電機驅動），不僅實現了復雜的操作功能，還推動了靈巧手的商業化應用。同一時期，由德國宇航中心（DLR）與哈爾濱工業大學聯合開發的DLR/HIT手也成為靈巧手領域的重要成果，中國研究團隊的參與標志著這一領域國際化進程的加速。

2010年左右，人工智能的迅猛發展為靈巧手技術注入了全新動力。谷歌、OpenAI等機構開始探索基於深度學習的靈巧手操作算法。這些算法通過大數據訓練，使靈巧手具備了自主學習和應對復雜任務的能力。2019年，OpenAI展示了結合人工智能算法的靈巧手成功復原魔方的成果，這一突破性進展成為靈巧手與人工智能深度融合的裡程碑。次年，OpenAI進一步展示了如何在虛擬環境中對靈巧手進行大規模訓練，使其能夠像人類一樣靈活操控物體，並精確調整物體在手中的位置和朝向。這些技術突破標志著靈巧手向更高層次智能化邁進。

2020年左右，靈巧手的發展更加注重與觸覺感知的深度融合。通過先進的觸覺傳感器和多模態感知技術，靈巧手能夠實時感知抓取對象的材質、形狀以及力反饋，從而實現更精准的操作。例如，北京大學研發的F-TAC Hand，首次實現了機器手的全手觸覺感知，成為這一領域的重要突破性成果。同時，靈巧手逐漸被集成到人形機器人中，用於完成更復雜的任務。研究人員正在努力賦予這些機器人在動態環境中執行工具操作、精密裝配以及復雜物體抓取等能力。這種結合不僅提升了人形機器人的實用性，還讓它們在服務機器人、醫療護理、制造業以及災難救援等領域展現出巨大潛力。

通過觸覺感知與智能控制的融合，靈巧手在人形機器人中的應用進一步推動了機器人與人類世界的無縫協作。未來，靈巧手的發展將繼續朝著更高智能化、更強適應性以及更廣泛應用場景的方向邁進。

它們成為人類能力的延伸

想象一下，未來的某個早晨，你的智能機器手助理正精心准備早餐。它能感受到雞蛋殼的厚薄，用恰到好處的力度打破蛋殼而不損傷蛋黃﹔通過觸摸判斷面包的新鮮程度，為你烤出完美的吐司﹔甚至根據牛奶的溫度和你的喜好，調制出最適合的咖啡。

在醫院裡，一位患有帕金森病的老人正在接受康復訓練。由於疾病影響，他的雙手經常不受控制地顫抖，連拿水杯都成了難題。但現在，一個溫柔的智能機器手成了他的“第三隻手”——它能感知老人意圖，在他想要喝水時穩穩地將水杯送到嘴邊，動作輕柔，宛如家人般的照顧。更神奇的是，這個機器手還能自動調節水溫，確保不會燙傷老人，甚至記住他的飲水習慣。

在另一間手術室裡，一位神經外科醫生正進行一台極其精密的腦腫瘤切除手術。他的助手不是另一位醫生，而是一個具備超高精度的智能機器手。這個機器手的“觸覺”比人類敏感得多，它能夠感受到不同腦組織的細微差別——腫瘤組織和正常腦組織在硬度上的微小差異都逃不過它的“感知”。在切除腫瘤過程中，機器手能精確避開重要的神經血管，將手術風險降到最低。最讓人驚嘆的是，這樣的手術甚至可以通過遠程操控來完成——一位在北京的專家可以為遠在新疆的患者進行手術，智能機器手成了醫生雙手的遠程延伸。

在家庭生活中，智能機器手將成為我們最貼心的助手。對於行動不便的老人，它能幫助穿衣、洗漱、進食﹔對於忙碌的上班族，它能照料家中花草，根據植物需要澆水施肥，甚至能夠感知植物的“情緒”，知道什麼時候需要更換土壤或調整光照﹔對於熱愛烹飪的人，它就是最好的廚房助手，不僅精確控制調料用量，還能根據食材新鮮程度調整烹飪方法。

在環境保護方面，智能機器手也將發揮獨特作用。在清理海洋垃圾工作中，機器手能精確識別並分揀不同類型的垃圾，甚至能小心地救助被垃圾纏繞的海洋生物。在植樹造林工作中，機器手能根據土壤條件和幼苗特點，精確控制種植深度和施肥量，大大提高植樹的成活率。

在太空探索領域，智能機器手將成為人類探索宇宙的重要工具。在火星探測任務中，配備智能機器手的機器人能進行比目前更加精細的科學實驗，甚至能組裝復雜的科研設備。在空間站維護工作中，機器手能完成一些對宇航員來說過於危險或困難的任務，大大提高空間任務的安全性和效率。

這些場景聽起來像是科幻電影，但隨著智能機器手技術快速發展，這個未來正向我們走來。

智能機器手的發展代表了人類對於增強自身能力的不懈追求。它不是要取代人類的雙手，而是要成為人類能力的延伸，幫助我們完成那些超出生理極限的任務，讓我們專注於更有創造性的工作。

在這個過程中，我們需要保持開放的心態，積極擁抱技術進步帶來的機遇，同時也要審慎考慮技術發展可能帶來的挑戰。隻有這樣，才能確保智能機器手技術真正造福人類，創造一個人機和諧共存的美好未來。

（作者：趙秭杭、朱毅鑫，分別系北京大學博士生﹔北京大學研究員、北京大學武漢人工智能研究院研究員）

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