3D打印“钢琴手”奏出华美乐章

2018-12-26 08:36

弹奏钢琴的未必是优雅的钢琴师，也可能是冰冷的机械手。日前，英国剑桥大学研究团队通过3D打印技术仿真人体手部结构，制造出“钢琴手”，只需控制手腕移动，就能弹奏简单的钢琴曲。相关研究成果发表在《科学机器人》杂志上。

新型机械手在设计上充分仿真了人手的结构，每根手指上有3—4个关节，并模拟了不同部位所需的软硬程度。特别值得一提的是，每只手指上并不需要单独的电机进行控制，而是通过与琴键接触时机器手不同部位的软硬变化的“被动”反应，来模拟人手弹钢琴的过程，实现多种不同的弹奏动作和功能。

研究人员使用3D打印技术制作机器手，通过将不同比例的硬塑料和软橡胶混合，生产具有不同硬度的韧带和关节，将其组装成仿真手后再连接到普通的工业用机械臂上。研究人员编写程序控制机械臂运动，模拟手腕带动手指在钢琴上弹奏乐曲。

研究人员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创作的托卡塔（Toccata）曲。研究人员发现，必须提高机械手食指的强度、降低其他手指的强度，才能弹奏钢琴的断音和柔软的连音，以接近人类的弹奏方式。之后研究人员使用了其他风格的曲子，来测试机器手演奏八度音阶的能力。他们发现，需要提高手指韧带的弹性并保持手指本身的强度才能弹奏出大跳和清晰的音符。实验发现，与许多现有机器手相比，新型机器手在音量控制、拇指移动、弹奏断音和连音方面都表现出了极佳的灵活性。

几十年来，科学家们一直在制造机械手，以往的机械手往往采用复杂的刚性机械结构，并安装繁琐的电机驱动系统，剑桥研究团队颠覆了这一传统设计理念。论文第一作者、剑桥大学休斯表示，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，团队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。

弹钢琴很适合展示人手的奇妙，许多微妙的动作早已内化于钢琴家的大脑，而人手所制造的个性细节才是大师钢琴曲吸引人的地方。一双媲美艺术家的机械手，不仅带来音乐享受，更重要的是可能完成一些以前被认为必须交给工匠的精细活计。可以预见，高级机械手将给制造业带来极大改变。