进入VR世界获得一双机器人手臂 | Weekly New （第72期）

Weekly New是清华经管创业者加速器推出的新知识科普系列，希望通过解读科技创新热点关键词，提供简洁易懂的术语解释，让创业者每周学习一点新知识，激发更多创新灵感。

人工智能与虚拟现实的发展极大便利了人们的生活，除了已被广泛接受的各种工具机器人，现在科学家们正在进行相关实验，探究VR环境中融入机器属性的人体部位将会发生哪些奇妙的事情。假想一下，如果未来的你拥有了一双额外的机器人手臂，你将如何使用它？它又将如何改变你的生活？这背后的一切都充满了科技的奥秘。

一、研究目的

医疗行业：随着数字化医疗的发展，全球医疗机器人发展迅猛，市场化规模扩大。根据国际机器人联合会IFR数据，2018年全球医疗机器人市场规模为136亿美元，预计到2021年将会达到207亿美元。其中手术机器人是规模最大的细分领域。通过发展机器人手臂技术，应用到临床医学中，将会大幅度提高手术的精密度和安全性，尤其是对于那些时间长、操作精细的手术来说，机器人手臂能更好地防止医疗事故的发生。

工业领域：1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境操作下以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

二、具体介绍

猜想的起源

几十年来，科学家一直在研究人类操纵工具时大脑的行为方式，当我们拿起各种工具时，大脑会把它切换为双手的替代品。而当我们使用棍子或其他长条状物品时，也能清楚地知晓该物品的体型特征以及使用范围，以便正确使用而非误伤他人。以上基本的生活常识是通过改变现有部件的功能、形状和大小，来实现双手功能的延伸。于是科学家们提出了一个猜想：如果增加额外的全新部件，我们的身体会对其产生怎样的感知？

研究意义

如果这个问题能得到回答，那么“机器人设备升级”和“虚拟现实空间设计”领域将得到有效发展。目前行业内饱受关注的机器人构建系统，将使人类能够使用额外的四肢，甚至在未来人们可以使用其他附加的器官。虚拟现实（VR）的意义在于为人们提供了一个得以尝试现实世界中无法完成的体验机会，操控着看起来与人体大相径庭的器官，从可用性和可行性出发，确保这些额外的器官能自然融入并成为我们身体的一部分才是最重要的。因此，了解这是否可行以及如何实现，是设计现实生活中的机器人部件和VR电子游戏交互的关键。

研究过程

之前一些初步的实验研究中，研究人员为参与者配备了由橡胶制成的额外的手部器官，通过触摸来检验其可用性。这些实验表明，参与者虽然可以感觉这些额外的四肢是他们身体的一部分，但能否有效使用可控的“四肢”尚未被研究。

实验一：科研人员很快着眼于这一领域的空白，通过让参与者沉浸在VR环境下，于他们真正的手臂下方增加了一对虚拟机器人手臂。东京大学的人工智能专家和认知科学家Ken Arai认为，VR环境对于了解人类如何适应额外的机器人身体部位至关重要。在现实世界中，检测参与者控制机器人手臂移动的时间比较长，但在VR环境中，从传感器输入到虚拟手臂，再到虚拟手臂发出可见运动，这一过程时间间隔更短，也使参与者的控制体验更加真实。

巧妙之处

这一实验更为巧妙的设计在于，参与者使用附着在脚和腰部的传感器控制模拟机器人手臂，参与者移动小腿将触发身体另一侧的额外手臂在VR空间中移动，勾一下脚趾引发虚拟手臂进行抓握。

一旦连接到VR设置，参与者就会进入协调任务的模式，使用额外的手臂“触摸”随机出现在各种位置的球体。每次尝试后，参与者都会反馈机器人手臂的适配程度。当他们多次完成球触任务时，交互反应变得更快、更高效。

实验二：另一个实验测试了人们移动机器人手臂以响应虚拟触摸的速度。脚上的物理振动位置与虚拟球接触四肢的位置相匹配——例如，左脚顶部的振动将表明虚拟左手背面的接触——与球触摸实验中相符，但有时这种反应与物体在VR环境中的位置不匹配。研究人员将此解释为参与者的潜意识个人空间感扩展到包括VR环境中机器人手臂周围可见区域的迹象。

三、中国在此方面的研究

2021年6月21日，中国空间站核心舱上的机械臂，是目前我国智能程度最高、难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统，是对人类手臂的最真实还原。该机械臂最大承载能力25吨，可以移动空间站中的实验舱，空间站机械臂可辅助航天员出舱。对于人类在恶劣太空环境下难以完成的储藏工作，机械臂都可以为其代劳。并且机械臂根据指令行事，只要指令输入无误，机械臂就可以精准完成任务。2022年8月20日，问天实验舱舱外首次进行了在轨测试，小机械臂首先脱离基座进行舱壁爬行测试，它对接了舱壁其他小机械臂适配器，完成了靶向标定测试。通过关节，小机械臂可以实现类似人类手臂的运动能力，相比大机械臂末端定位精度更高，位置精度优于大臂的五倍，姿态精度优于大臂的两倍。

此外，在人体机械手臂制造领域，2021年4月20日，中国科学技术大学教授陈小平团队研发出全球首款柔性机器人手臂，可以开门、开抽屉，甚至擦玻璃、拧瓶盖等。相比于传统的刚性机器人，柔性机器人更适用于复杂的、非结构化的环境。该机器人采用了蜂巢结构组合而成，一体化程度非常高，重量也只有传统刚性机器人的三分之一，成本最低可降到五分之一。在应用场景上，该柔性机器人可用于工业喷涂、打磨，以及养老院的喂饭等场景。

四、结语

总体而言，根据实验结果，参与者感觉他们已经获得了全新的、额外的身体器官——而不仅仅是通过添加“新工具”延伸了人体某个部位的功能。这对于虚拟现实以及机器人构造系统来说都是突破的进展。从上述研究中得出的结论，令我们深思和期待，也许不久的将来，人们可以实现的不仅仅是“解放双手”，而是增添“额外的手”。科技对我们生活的改变是巨大的，甚至可以超越宇宙进化的速度实现人体结构的复合与创新。

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* 本文整理自《Scientific American 》、中国青年报、IT之家、读创（深圳商报）、天眼新闻、车市网，文章仅代表作者观点，与清华经管创业者加速器立场无关，如有侵权，请联系小编删除。

整理 | 曾杨轶、Gina

审核 | Vic、Gina