頂刊IJRR | 機(jī)器人喂飯總掉？科學(xué)家造了把會(huì)“擁抱”食物的勺子

吃飯，是人類最基本的需求之一，它關(guān)乎生存、健康，也承載著社交與文化。

然而，對(duì)于全球數(shù)百萬(wàn)因各種原因?qū)е滦袆?dòng)不便的成年人來(lái)說(shuō)，這個(gè)簡(jiǎn)單的日常動(dòng)作卻是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。他們中的許多人需要依賴看護(hù)者來(lái)完成每一次進(jìn)食。

為了幫助他們重獲獨(dú)立和尊嚴(yán)，輔助進(jìn)食機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。這些機(jī)器人就像用戶手臂的延伸：用戶選擇想吃的食物，機(jī)器人便會(huì)自動(dòng)拾取，并送到用戶嘴邊。

理想很豐滿，但現(xiàn)實(shí)卻有些“骨感”。

現(xiàn)有的輔助進(jìn)食機(jī)器人，在面對(duì)多樣化的食物時(shí)常常顯得力不從心。它們使用的傳統(tǒng)餐具——叉子和勺子，本是為靈活的人手設(shè)計(jì)的。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要精確地完成戳、舀、擰等動(dòng)作，并在移動(dòng)過(guò)程中保持食物不掉落，是一項(xiàng)極其復(fù)雜的任務(wù)。

最近，來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)和康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，他們提出了一個(gè)全新的假設(shè)：與其讓算法去適應(yīng)為人類設(shè)計(jì)的工具，為什么不為機(jī)器人設(shè)計(jì)一款全新的、更智能的餐具呢？

基于這一思想，他們創(chuàng)造了一款名為Kiri-Spoon的創(chuàng)新性餐具。它將傳統(tǒng)勺子的舒適外形與軟體機(jī)器人的性能相結(jié)合，讓機(jī)器人喂飯這件事，變得更加簡(jiǎn)單和可靠。

這項(xiàng)研究成果不久前發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《The International Journal of Robotics Research》（IJRR）上。

01.

一把會(huì)“擁抱”食物的勺子

那么，Kiri-Spoon究竟神奇在哪里？

它的核心靈感來(lái)源于日本的“切紙（Kirigami）”藝術(shù)。研究人員設(shè)計(jì)了一種由可變形的“切紙”結(jié)構(gòu)組成的勺面。

在靜止?fàn)顟B(tài)（平衡態(tài)）下，Kiri-Spoon看起來(lái)就像一個(gè)普通的、扁平的勺子。但當(dāng)它被驅(qū)動(dòng)時(shí)，這個(gè)2D的“切紙”薄片會(huì)迅速屈曲變形，形成一個(gè)具有可變曲率的3D碗狀結(jié)構(gòu)。

這個(gè)過(guò)程，就像勺子張開(kāi)雙臂，“擁抱”住食物一樣。

這種獨(dú)特的包裹式抓取機(jī)制，賦予了Kiri-Spoon超越傳統(tǒng)餐具的能力。在獲取食物時(shí)，機(jī)器人不再需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和精細(xì)的操作，只需將Kiri-Spoon移動(dòng)到食物上方，然后驅(qū)動(dòng)它“閉合”，就能穩(wěn)穩(wěn)地包裹住食物。在運(yùn)送過(guò)程中，這個(gè)“碗”能有效防止食物（尤其是光滑或小顆粒的食物）滑落。當(dāng)食物送到嘴邊時(shí)，只需釋放驅(qū)動(dòng)力，Kiri-Spoon又會(huì)恢復(fù)成扁平的勺子形態(tài)，方便用戶舒適地進(jìn)食。

為了確保Kiri-Spoon不僅功能性強(qiáng)，而且用戶體驗(yàn)良好，團(tuán)隊(duì)從一開(kāi)始就采用了“利益相關(guān)者驅(qū)動(dòng)”的設(shè)計(jì)流程。他們與護(hù)理人員、職業(yè)治療師以及殘障人士（來(lái)自弗吉尼亞的一個(gè)殘疾人社區(qū)The Virginia Home）進(jìn)行了深入合作。

通過(guò)一輪又一輪的訪談和測(cè)試，團(tuán)隊(duì)不斷迭代設(shè)計(jì)。例如，最初版本的勺柄連接環(huán)是剛性的，使用者反饋說(shuō)在吃飯時(shí)會(huì)感到不舒服。根據(jù)建議，團(tuán)隊(duì)最終采用了一種由鎳鈦合金（記憶金屬）制成的柔性環(huán)，外面包裹著食品級(jí)的柔軟材料。這個(gè)柔性環(huán)不僅讓用戶口感更舒適，還能在勺子接觸盤(pán)子或碗的表面時(shí)發(fā)生彎曲，更好地適應(yīng)不同餐具的輪廓。

最終成型的Kiri-Spoon由三個(gè)核心部分組成：

1. 切紙勺片：由食品級(jí)、可3D打印的TPU材料制成，安全、廉價(jià)且易于更換。
2. 柔性環(huán)：支撐勺片的一端，提供舒適性和適應(yīng)性。
3. 線性驅(qū)動(dòng)器：一個(gè)1自由度的微型電機(jī)，用于拉動(dòng)或釋放勺片，控制其曲率變化。

整個(gè)裝置不僅可清洗、保證食品安全，而且其模塊化的設(shè)計(jì)允許用戶根據(jù)不同食物或個(gè)人偏好，更換不同尺寸或材質(zhì)的勺片。

02.

動(dòng)口不動(dòng)手，機(jī)械智能有多強(qiáng)？

那么，Kiri-Spoon的實(shí)際表現(xiàn)又如何呢？研究團(tuán)隊(duì)用一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)給出了答案。

首先，他們進(jìn)行了一場(chǎng)全自動(dòng)的食物獲取測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)Franka Emika機(jī)械臂分別搭載了傳統(tǒng)餐具（叉子和勺子）和Kiri-Spoon。機(jī)器人利用先進(jìn)的視覺(jué)算法（SPANet）自主識(shí)別并抓取盤(pán)子和碗里的各種食物。

結(jié)果顯示，對(duì)于胡蘿卜、圣女果、豌豆等圓形或小顆粒食物，Kiri-Spoon的抓取成功率超過(guò)80%。更關(guān)鍵的是，在處理豆腐、果凍這類柔軟、濕滑的“老大難”食物時(shí)，Kiri-Spoon展現(xiàn)了碾壓性的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軐⑹澄锿耆饋?lái)，而傳統(tǒng)勺子上的食物則很容易滑落。

更關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)叉子在抓取食物時(shí)，需要根據(jù)食物的硬度和形狀精確調(diào)整“下叉”的角度（俯仰角），而Kiri-Spoon則可以在固定的角度下完成所有抓取任務(wù)。這無(wú)疑極大地簡(jiǎn)化了機(jī)器人的控制算法，降低了任務(wù)的復(fù)雜度。

當(dāng)然，Kiri-Spoon也有它的“軟肋”——對(duì)于像生菜葉這樣扁平、緊貼盤(pán)底的食物，它難以有效抓取。

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搬到了真實(shí)世界。他們帶著Kiri-Spoon回到了The Virginia Home社區(qū)，邀請(qǐng)了4位需要進(jìn)食輔助的殘障人士進(jìn)行親身體驗(yàn)。他們將Kiri-Spoon安裝在了一款市售的輔助進(jìn)食設(shè)備（Obi）上，并與該設(shè)備標(biāo)配的傳統(tǒng)勺子進(jìn)行對(duì)比。

客觀數(shù)據(jù)顯示，在處理罐頭橘子（濕滑）和通心粉（粘稠）時(shí)，Kiri-Spoon的成功率略高于傳統(tǒng)勺子。

更重要的是主觀反饋。盡管用戶們對(duì)傳統(tǒng)勺子無(wú)比熟悉，但他們認(rèn)為Kiri-Spoon幾乎同樣舒適。而在“有效性”方面，參與者們普遍認(rèn)為Kiri-Spoon表現(xiàn)更佳，感覺(jué)它“獲取食物更可靠”、“能更牢固地把食物送到嘴邊”。

一位參與者評(píng)價(jià)說(shuō)，Kiri-Spoon“在盛取食物時(shí)更安穩(wěn)”。這證明，Kiri-Spoon的設(shè)計(jì)能夠真正解決用戶的核心痛點(diǎn)。

03.

算法+硬件，實(shí)現(xiàn)1+1>2

為了更全面地評(píng)估Kiri-Spoon的價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了一項(xiàng)更深入的用戶研究，旨在厘清“機(jī)械智能”（硬件創(chuàng)新）和“算法智能”（軟件優(yōu)化）各自的貢獻(xiàn)，以及兩者結(jié)合的效果。

他們招募了16名無(wú)行動(dòng)障礙的參與者，在一個(gè)“2x2”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，分別體驗(yàn)四種組合：

• 傳統(tǒng)餐具+手動(dòng)遙控
• 傳統(tǒng)餐具+自主算法
• Kiri-Spoon + 手動(dòng)遙控
• Kiri-Spoon +自主算法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地揭示了“機(jī)械智能”的效果。

從客觀數(shù)據(jù)來(lái)看（下圖），“Kiri-Spoon +自主算法”的組合是毫無(wú)疑問(wèn)的王者，它需要的嘗試次數(shù)最少，獲取的食物量最多。

一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)是，即便是手動(dòng)控制的Kiri-Spoon，其表現(xiàn)（獲取食物的量和成功率）也優(yōu)于由自主算法控制的傳統(tǒng)餐具。這強(qiáng)有力地證明了論文的核心觀點(diǎn)：一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的物理工具，能從根本上降低任務(wù)的難度，其帶來(lái)的提升甚至可能超過(guò)單純的算法優(yōu)化。

主觀感受上，雖然參與者因?yàn)榱?xí)慣，仍然覺(jué)得用傳統(tǒng)勺子吃飯“更舒適”，但在被問(wèn)及偏好時(shí)，16人中有10人明確表示更喜歡Kiri-Spoon。他們認(rèn)為Kiri-Spoon“功能更全面，能出色地處理各種食物”，并且其靈活性“讓取食變得簡(jiǎn)單直觀”。

這項(xiàng)研究不僅僅是關(guān)于一個(gè)新奇的勺子。它為整個(gè)輔助機(jī)器人領(lǐng)域，乃至更廣泛的人機(jī)交互領(lǐng)域，提供了一個(gè)重要的啟示：

在追求更復(fù)雜的算法和更強(qiáng)大的算力時(shí)，我們或許不應(yīng)忽視對(duì)物理交互工具本身的創(chuàng)新。卓越的機(jī)械設(shè)計(jì)（硬件）與先進(jìn)的控制算法（軟件）相結(jié)合，才能真正實(shí)現(xiàn)1+1>2的效果，從而為那些需要幫助的人們，帶來(lái)真正可靠、舒適且有尊嚴(yán)的解決方案。

正如本研究所展望的：未來(lái)或許可以為Kiri-Spoon加上柔軟的叉齒，變成一把“Kiri-Spork”，讓它在面對(duì)任何食物時(shí)都游刃有余。

參考鏈接：

https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/02783649251405291