机器人智能与感知-像人一样干活！交互本能赋能机器人通用操作

【核心摘要】

目前的


机器人


虽然能下棋、能跳舞，但在做家务或精细操作时往往显得笨手笨脚——要么捏碎纸杯，要么不善于使用日常工具。针对这一痛点，清华大学精密仪器系的朱荣教授团队在《


Advanced Science




》上发表最新研究成果，提出了一种“类人交互本能”的机器人架构。这个架构让机器人能像人类一样，具有基于触觉反馈的交互能力，无需大量训练就能稳稳地拿起各类生活物品、使用工具，加上进一步的示教，甚至完成做早餐等复杂任务。

【为什么现在的机器人还不够聪明？】

想象一下，当你拿起一个装满水的纸杯时，你不需要盯着手看，也不需要思考用多大力气，你的手指会自动调整力度，既不让杯子滑落，也不会把杯子捏扁。如果杯子突然滑了一下，你的手会下意识地瞬间收紧。这种下意识的反应，就是人类的本能。本能让人类能够鲁棒地完成各种复杂任务。

然而，现有的机器人大多依赖“视觉+大数据”：

· 笨重： 它们需要大量的数据，通过复杂的算法去“猜”物体应该如何拾取。

· 呆板： 一旦遇到没见过的物体，或者光线不好，它们就容易抓不好或捏坏东西。

· 迟钝： 复杂的模型和策略，链条太长，难以适应瞬息万变的真实场景。

清华团队的这项研究，就是为了解决这个问题，赋予机器人像人一样的交互本能，让它像人一样完成各种任务。

【Hinst架构：给机器人赋予本能】

研究团队提出的仿人交互本能（Hinst，human-like interactive instinct）架构，核心思想是将机器人的能力分为两类，就像人类一样：

1. 先天能力（本能）： 就像婴儿天生会抓握。机器人通过指尖的多模态触觉传感器，实时感知接触、压力和滑动。一旦感觉到物体没有抓稳，它会在快速地自动调整力度，完全不需要大脑（高层决策系统）介入。

2. 后天能力（学习）： 就像人类学习使用工具。机器人通过观察人类的动作（视觉）和少量的尝试，学会新的技能。

图1 赋予机器人先天能力与后天能力

以仿人交互本能作为机器人完成任务的底层保障，研究团队又提出了三步骤的Hinst架构，从顶层设计上赋予机器人胜任真实世界任务的能力：

· 第一步：任务规划






将复杂任务分解为多个容易执行的子任务。规划过程机器人可以自己完成，也可以借助外部的帮助。

· 第二步：动作规划






执行子任务的动作和手势。如果机器人还不会该动作，可以像学徒一样向人类学习。

· 第三步：交互本能






在机器人接触上物品之后发挥作用，保证拾取物品的稳定可靠。

交互本能的工作流程，可以理解成一个三个步骤的控制过程：

· 第一步：触觉


感知








机器人




的指尖装有特制的触觉传感器，能同时感知压力（捏得紧不紧）和界面状态（是接触、滑动还是分离）。

· 第二步：逻辑推理






不同于以往靠“死记硬背”大数据的AI，Hinst使用一种轻量级的知识推理算法。它不需要学习几万次抓杯子的过程，只需要理解物理规律：“如果感觉到滑动等抓取不稳定的信号，就必须增加压力”。

· 第三步：自适应控制（抓得稳）






一旦检测到不稳定，控制器会立即调整关节角度和力度。这个过程快到人眼都看不清，就像你手碰到烫的东西会瞬间缩回一样自然。机器人不断循环以上过程，鲁棒地完成任务。

【架构落地的“全能管家”】

为了验证Hinst到底有多强，研究团队进行了一系列实验，结果令人印象深刻：

1. 万物皆可抓：成功率高达97.2%






研究人员只通过单物品抓取，提取最通用的抓取逻辑赋予机器人交互本能，然后让它去抓55种完全不同的物体，包括不少有挑战性的物品。

· 挑战对象： 包括滑溜溜的金属瓶、易碎的鸡蛋、形状不规则的羽毛球、力气太大会捏爆的气球，甚至是装了水的气球。

· 结果： 机器人以97.3%的成功概率抓取了所有从未见过的物体！相比之下，没有Hinst本能的机器人，面对滑溜或易碎物体时，成功率仅为68%，时常发生滑落或把物品损坏的惨剧。


图3 万物皆可抓，包括挑战对象

2. 一看就会：在本能的基础上学习






机器人能通过一次示教，学会使用工具。

· 场景： 人类演示一次如何用夹子夹起柠檬。

· 表现： 机器人通过摄像头看懂了动作，结合自己的触觉交互本能，调整力度。学会后，它不仅能夹柠檬，还能举一反三，去夹草莓、蛋糕和海绵球。

3. 实战演练：机器人做早餐






在真实场景中，Hinst机器人成功完成了一套复杂的早餐服务：

· 它先用夹子夹起一块蛋糕（需要极精细的力度控制，太紧蛋糕碎，太松夹不住）；

· 然后直接用手抓起易碎的鸡蛋和橙子；

· 最后倒了一杯水，稳稳地送到人类面前；






在整个过程中，即使水杯因为重力发生滑动，机器人也能瞬间感知并自动调整，确保杯子稳稳抓握。

【未来展望：机器人走进千家万户的关键一步】

这项研究的意义在于，它证明了本能对于机器人的重要性。

· 更高效： 不需要海量的数据训练，机器人也能适应各种新环境。

· 更通用： 无论是工厂里的精密组装，还是家庭里的端茶倒水，拥有交互本能的机器人都能胜任。

这种架构为通用机器人的实现提供了一种可能路径。未来，我们或许很快就能看到真正像人类一样手脚麻利、灵巧细致的机器人管家走进我们的生活。