這雙手是這名男子的傑作，30年為機器打造“神之手”｜獨家專訪
機器人研究不少靈感來自於自然界生物，特別是人類，讓機器可看、可聽的相關技術被稱為機器視覺、機器聽覺，電子面板則賦予機器具有觸覺，另外，通過觀察人類或動物的步態，發展足型讓機器人，不只行走還可跑跳，那麼手呢？要讓機器人的手能像人手一樣靈活動作，有效地操縱物體，一直是機器人研究的高階挑戰。
目前看來，AI 在扮演機器人大腦能越來越好，但健全、靈活的四肢仍是一條長路，我們看到波士頓動力的研究，已經讓機器人的腳可跑跳，還有很好的穩定性，但距離人類仍有一大段落差，在機器手的部分亦是如此，光是零部件就需要不少新型設計，像是輕薄軸承（bearing）得達到非常嚴格的尺寸精度，還得考量彈簧力量的調教，機器手的機構散熱設計，以及什麼材料能做到機器手外軟內強等，儘管如此困難，為什麼許多實驗室及科研人員依舊想挑戰“造手”這項挑戰，因為如果人類希望機器人進入到真實世界，甚至終極目標是達到影集《西部世界》無比逼真的機器人，不只是待在工廠裡，那麼為它們造一個能靈活做事的手，是必要條件之一。一旦這個問題解決，很多事將變得不一樣。
（圖片來源：OpenAI ）
今年 7 月由馬斯克贊助的研究機構 OpenAI 公佈了一項機器手的研究，該機器手可以像人類一樣靈巧、敏捷的轉動方塊，讓業界大為振奮。他們利用通用強化學習演算法（general-purpose reinforcement learning），在模擬環境讓機器重頭學習人手是怎麼操控物件，包括轉動手指、滑動方塊等，而且比起典型的機器人手多半隻有 7 個自由度，這隻手具有 24 個自由度，可實現高維控制。這項成果是靠 OpenAI 的機器人系統 Dactyl，加上幻影靈巧手（Shadow Dexterous Hand）一起完成，那隻 Shadow Dexterous Hand 其實是來自一家英國公司 Shadow Robot。
圖｜OpenAI 的機器人系統 Dactyl 加上 Shadow Robot 機器手 Dexterous Hand，訓練出可以像人類一樣靈巧、敏捷的轉動方塊的機器手。（圖片來源：OpenAI 部落格）
大眾可能對於這家聽起來像是科幻小說名字的 Shadow Robot 感到陌生，打個比喻，目前在機器人的足部研究領域，波士頓動力的技術實力堪稱領先業界，那麼 Shadow Robot 在“機器人手”界的評價就像是波士頓動力之於足部。
而且 Shadow Robot 公司董事總經理 Rich Walker 在機器人行業中來頭不小，留著一頭嬉皮辮子長髮，醉心研究機器手長達 30 年，“Rich Walker 在機器手領域是一號人物，非常執著在研究上。與 OpenAI 合作的這項研究展現了很好的成果，”一位與 Rich Walker 合作過專案、現專注醫療電子手的臺灣工研院副組長張彥中對 DT 君這麼說。
人類的雙手是上帝神奇的傑作，靈巧、反應快、可以穩定拿取東西，DT 君獨家專訪了這位醉心要為機器打造神之手的 Rich Walker，他認為，人工智慧和機器人手的結合為“高階先進機器人”開啟了巨大想像及市場前景，並且指出“遠端操控機器人”是除了 AI 之外，另一個機器人行業發展的趨勢，而且 Shadow Robot 參與設計的遠端操控機器人，將隨日本航空研究機構飛上太空。
圖｜Shadow Robot 公司董事總經理 Rich Walker（圖片來源：Shadow Robot）
這隻幻影靈巧手究竟多像人？
對於與 OpenAI 的合作，Rich Walker 指出，現階段的人工智慧是由資料驅動的，但未來會擴充套件到另一個層次：在一定程度上實現“自我思考”，做出與人類智慧相關的行為，包括計劃（planning）、感知（perceiving）、學習、分析和解決問題。“但這是一項雄心勃勃的任務，無法獨立完成，這就是為什麼我們與 OpenAI 合作，”他對 DT 君表示。
（圖片來源：Shadow Robot）
首先，在 AI 部分，Shadow Robot 與 OpenAI 先讓虛擬機器器手通過反覆試驗來學習。然後，再把這些類似人類的策略轉移到實體的 Shadow Dexterous Hand 中，使其能夠有效地抓取和操縱物體，無需進行微調，這可說是人工智慧的一項里程碑，證明可以在模擬環境中訓練代理人（agent），而不用在明確的條件下進行建模。除此之外，代理人就能利用所獲得的知識在真實環境中解決實際任務。
在手的硬體方面，Shadow Dexterous Hand 最大的特色就是把人手的運動學原理彙集至 20 個自由度，同時搭配另外 4 個欠驅動動作（under-actuated movements），來達到總共 24 個關節，為目前市場上唯一擁有 24 個動作和 20 個自由度的機器人手，因此大幅提高抓取和操縱各種物體的靈活性。另外，在拇指甚至是小手指底部的手掌彎曲度，也達到了類似人手的移動範圍程度。同時每一個手指可以獨立地左右移動，並且通過內建的 129 個感測器實現高精確度。
挑戰人體解剖學中最複雜的元件
機器人手有哪些關鍵部件，主要是根據機器人手的意圖、用途而有所不同，“整體來說，當判斷機器人手的功能是否達到接近人手的程度時，有不可缺少的三大部分：速度、可重複性以及抓握的準確性。”
“要讓機器手穩定地拿取物件是件非常困難的事”，“我的目標就是打造世界上最棒、可抓握操控（grasping a manipulation）的機器手系統，不只是抓住（gripping）而已”，Rich Walker 道出他決心攻克機器手的原因。
不少機器人大牛最初都是基於對機器人的熱愛而踏入這個領域，Rich Walker 相當著迷“AI 機器人”，但當時能夠執行 AI 功能的機器人極為罕見，正巧他在劍橋大學念數學時，結識了後來建立 Shadow Robot 的創業團隊，從免費幫他們編寫機器人軟體，到加入 Shadow Robot 參與產品研發，就這樣開啟了他長達 30 年與機器人為伍的人生。
雖然 Shadow Robot 因機器手而聞名，但最初他們是從研究機器人的足部開始，他們認為機器人要有用處，必須能遊走在現實環境裡，因此他們第一個創作是一個會步行的雙足機器人，當時的原型機現在還放在倫敦知名的科學博物館（Science Museum）展出。
但是，幾乎在同一時間，本田的團隊正在開發他們的步行機器人 ASIMO，“一家初創公司唯有與眾不同才能提供最大價值，我們決定改變方向，並且挑戰打造人體解剖學中最複雜和最重要的自然工程之一：手，”Rich Walker 說。
圖｜Shadow Robot 的幻影靈巧手（圖片來源：Shadow Robot）
為什麼機器手這麼難造？
“直至今日我們都還不敢說已經完全理解人手運作的機制，在圈內就有個知名的笑話，如果你問三個解剖學教授，問他們大拇指關節是怎麼運作的，你就能看到他們因意見不同而大吵一番，”他開玩笑的說。
機器視覺花了超過 60 年走到今日的成就，人類可以信任此技術，應用在物件或面部識別、自動駕駛等。但要為機器人造手，“雖然理論上聽起來可能很簡單，但要讓機器人拿起一個物體並保持穩定不容易，更不用說試圖讓機器人進行操縱和目標導向的任務，更是難上加難。”
他進一步透露，在他們第一次打造幻影靈巧手時，主要的挑戰集中在速度、靈活性和響應性（responsiveness）。不同於多數機器手是兩指或三指，他們一開始就是從五指切入，並鎖定高階領域，研究機器手怎麼從不同的“角度”取物，而且拿得又順又穩定，例如拿取跟放下渦輪葉片時，若不是正確的角度，就會導致質量下降，另外，拿取柔軟或易碎物時如水果、雞蛋，機器手又該使用多少力道，才不會捏壞、甚至捏爆這些東西。
人手的作業功能大致可分為“抓取‘和“操控”兩類，抓取又有捏 、夾 、握三種型態，受制於機構和控制系統方面的挑戰，很難設計出像人手那樣的通用裝置，因此目前多數機器人手部的設計是針對特定工作物件來進行。另外，操控更是極為複雜。
卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）機器人專家 Matthew T. Mason 不久前釋出了一篇《Toward Robotic Manipulation》（邁向機器操控）報告，就直言操縱很難。如果你問機器人專家舉出我們從機器人技術中學到的第一課是什麼，可能的答案就是“機器人很難！AI 人員開發出打敗人類棋王的下棋系統，但還是需要人類來移動棋子，是的，機器人可以移動棋子，但遠不如人類。”
Matthew T. Mason 進一步舉出為什麼機器手的操控如此困難的原因，前三項依序是：機構（Mechanisms），裝置必須施加足夠的力量來抓握和移動具有重量的物體，必須有足夠的運動自由度，可以精確且快速移動，此外，操縱器的表面應該要對觸控有感覺，並且表面應該是柔軟材質，易於更換，並且價格低廉。
二是知覺（Perception），有感知才能瞭解環境場景，同時還需要提供高解析度的資訊，包括接觸位置和力量交換，光靠視覺並不足夠，這種缺點將在一定程度上通過觸覺感測得到解決，但目前裝置和解決方案尚未完全到位。三是建模和控制，研究人員需要有操控過程的模型，以便進行分析、模擬、計劃和控制，許多潛在的情況很有挑戰性，像是單邊接觸、摩擦接觸、衝擊和變形，僅管只考量單項都很不容易。
可以摘草莓、幫忙製藥、核退役
目前機器手主要應用在工業環境，一般來說，工業機器人手部設計常見有兩類，最廣泛的是“抓手”（gripper），由 2 個或 3 個金屬製成的夾具，夾取物體，另一則是特殊手部，比如吸盤、磁吸裝置。目的都是實現特定物體的抓取，像是在生產流水線上夾取零件，或在倉庫或工廠裡用吸盤吸住貨箱來搬貨。機器手其他的應用還有醫療領域的電子仿生手、義肢，但醫療機關驗證的步驟冗長，產品雖售價高、毛利優，但進入門檻也很高，是非常利基的市場。
而服務機器人領域近來逐漸有增加“手”的趨勢，但仍礙於成本昂貴而讓業者卻步。新鬆機器人高階副總裁王巨集玉先前接受 DT 君採訪表示，服務機器人加兩隻手，至少要用到兩個控制器，成本立刻增加 10 萬元，因此多在摸索階段。
確實，機器手要做到靈巧，價格就成了那美中不足的缺點，一位行業人士向 DT 君表示，Shadow Robot 技術很好，“但太貴了，商業模式會是挑戰”。
一直以來 Shadow Robot 客戶大多是研究機構、實驗室，所以出貨量自然不會太多，幾年前，他們開發出廚師機器人，靠人形機器手使用各種烹飪工具來做菜，但“應用不普及，因為成本效益不夠高”。但隨著工廠自動化議題日漸重要，以及 AI 的復興，給了機器手一個很好的機會。
Rich Walker 指出，現在的策略是根據不同應用場景，使用不同技術包括人工智慧來打造機器手，像是五指的 Shadow Dexterous Hand 可以採收嬌弱的草莓，但也可以用在核退役（nuclear decommissioning），Shadow Robot 因此獲得英國工業戰略挑戰基金（Industrial Strategy Challenge Fund）的投資，希望開發核退役的解決方案，其他客戶還包括歐洲航天局（ESA）、美國國家航空暨太空總署（NASA），最近更拿下製藥巨頭 GSK 訂單，用在製藥實驗室的自動化程式產線上。
除了上述對技術含量高要求的領域之外，另一大市場就是工業機器人，因此 Shadow Robot 開發了專為工業設計、高堅固性、三指的機器抓手 Modular Grasper。目前市場上已有不少機器人抓手和手臂，但一般來說，工業抓手可以拿取一個物品，但如果有兩種不同的物品，就需要兩個不同的抓手來執行任務，但 Shadow Robot 開了一條新路，讓抓手變得智慧化。
他們基於具備多種抓取（Grasp）資訊的檔案庫（Library），開發出 Smart Grasping System 人工智慧系統，可以識別不同的物品，而且只要用一個抓手就能抓取不同型別的物體，對企業來說，可以減少採購支出和更換夾具的時間，就是很大的誘因。
Rich Walker 也透露了一段往事，雖然 Modular Grasper 是一項針對製造業的工具，以實現各行各業的自動化任務，不過，最初其實是為了服務機器人而生。Shadow Robot 在 2015 年參與了歐盟地平線科研計劃（Horizon 2020）旗下的 RAMCIP 專案，旨在打造一個家庭服務機器人，協助老年人和患有輕度認知障礙、痴呆症的人。“通過這個專案，我們看見機器手可以幫助人們拿回自由和尊嚴，協助解決他們可能遇到的任務，如準備食物、吃飯、穿衣、上廁所、取物等，”他說。後續 Shadow Robot 便將相關技術調整為適合工業需求，爭取讓機器手有更大的技術落地機會。
圖｜三指的機器抓手 Modular Grasper（圖片來源：Shadow Robot）
遠端操控機器人為另一研發重點，將隨日本飛上太空
除了 AI、機器學習和工業 4.0 這些熱門議題之外，Rich Walker 明確點出“機器人行業另一個重要研究領域是遠端操作（teleoperation）及遠端呈現（telepresence）”，分別指遠端控制機器人硬體，以及在不同的地方使用遠端系統。例如，操作員佩戴上特殊的手套，可控制機器手或機器手臂，而且手套可以利用感測器捕捉操作員的動作，機器手就可以模仿。
遠端操控機器人的技術對於產業來說具有革命性意義—在安全距離使用機器手，幫助人類完成危險的工作，包括採礦、探勘、軍事方面的炸彈處理，以及探索太空。幾個禮拜前，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣佈推出“阿凡達 X”（AVATAR X）專案，Shadow Robot 就是合作伙伴之一。
｜日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣佈推出 AVATAR X 計劃，送遠端操控機器人上外太空（圖片來源：JAXA）
AVATAR X 專案旨在月球上建立營地，支援長期太空任務，這項艱難的任務將讓機器人來分擔部分工作，AVATAR X 專案宣佈要打造遠端操控機器人 Avatar，每一個 Avatar 包含操作員裝置（pilot）以及遠端裝置（Avatar），兩個裝置完全同步作業，操作員控制遠端的 Avatar，並且 Avatar 會將檢測到或所產生的視覺、聲音和觸覺資訊反饋給操作員。也就是說，人類操控者能夠在遠端環境中，通過機器人實時看到、聽到、感受太空環境。並將在日本南部的大分縣（Oita）部署世界上第一個遠端操作 Avatar 的測試場域。
圖｜耶魯大學 GRAB 實驗室近期開發可以開啟或關閉摩擦力的機器手指（圖片來源：耶魯大學）
儘管要讓機器手可以具備和人一樣的靈活度、敏捷性，在設計和控制方面仍存在許多技術挑戰，但隨著科學家持續投入研究，已經看到了不少進步，不僅 Shadow Robot 和 OpenAI，像是耶魯大學 GRAB 實驗室研究人員開發了一種成本較低的機器手指，機器人手指可以開啟或關閉摩擦力，進而更容易用一隻手操控物體。
隨著 AI 和關鍵零部件的優化及成本下降，機器手將得以更往人手功能靠近，可以預想到未來將有越來越多帶著靈活手部的機器人出現在日常生活中，並且飛上太空，為人類探索未知。