音樂家手臂：機械手在兩分鐘內學會演奏全新旋律

研究人員近日揭示了一個名為「音樂家之手」的機械繫統，該系統能夠聆聽完全陌生的旋律並立即通過耳朵進行演奏。它不使用樂譜或依賴預先編程的樂譜。而這個四指的、由肌腱驅動的手，通過一種稱為「運動咿呀」的過程自學了鋼琴演奏。這與人類嬰兒探索手臂和腿部運動的試錯方法相同。在兩分鐘內，這隻手隨意在琴鍵上亂彈，追蹤聲音並記錄相應的動作。然後，它準備好了。在一次嘗試中，這個機器人毫不費力地重現了一首全新的 30 音符旋律，而未進行任何實時修正。

USC Viterbi 生物醫學工程、航空及機械工程教授 Francisco Valero-Cuevas 表示：「經過兩分鐘的訓練和一台簡單的筆記本電腦，這個系統學會了做一些本質上屬於人類的事情：藝術表達。這是一個值得認真對待的傳統機器人技術的反例。」

音樂家之手展示了機器人自學能力的潛力

這個四指機器人拒絕依賴龐大的訓練數據集的機器人模型，使用「運動咿呀」將物理動作映射到它們所產生的聲音。最終的表現相當流暢，以至於在一次盲選中，音樂評委們偶爾無法區分機器人的演奏與四位人類鋼琴家的演奏。這個由小型電動馬達驅動的四指機器手模仿人類解剖結構，在短短的兩分鐘試驗中將物理動作映射到相應的聲音。神經網絡隨後分析陌生旋律的音頻，即時將其轉換為精確的運動指令。

這使得機器人能在第一次嘗試中重現 30 音符的旋律，而無需任何實時修正。Valero-Cuevas 表示：「傳統機器人的 Achilles’ heel 是假設完美的信息對於良好行動是必要的。動物並不是這樣運作的。它們感知；它們猜測，通常是正確的；然後它們適應。我們希望展示機器人可以做到同樣的事情。」

這項技術在醫療領域的應用前景廣闊

這個鋼琴演奏機器人作為「感知機器人學」的概念驗證。這個新框架允許系統感知其環境、嘗試物理運動，並在不依賴龐大訓練數據集的情況下即時自我修正。然而，儘管音樂家之手在琴鍵上表現出色，其創造者並不打算在音樂廳舉行音樂會。這項技術的真正舞台在於醫學。這種直觀的機器人學方法可能很快會為患者提供比當今僵化的任務驅動機器更個性化的支持，特別是對於像帕金森病這樣的漸進性疾病患者。

傳統的輔助技術無法隨著患者的運動技能逐漸下降而適應。這種自我修正的框架可以通過不斷演變來填補這一空白，隨著個人身體需求的變化而不斷調整。

Valero-Cuevas 表示：「想像一下，如果在您首次被診斷時，您穿著一套外骨骼——一種可穿戴的機器人套裝——並且它在僅僅幾天的訓練下學會了您的運動方式。您教它：這是我如何走路；這是我如何伸手；這是我的生活方式。隨著您的病情進展，您可以再次穿上它，但在助手模式下：它幫助您恢復自己的個人運動風格。它不需要為您專門編程。它學會了您。」此外，它還可以讓家庭機器人學習治療師的具體身體技巧，並引導患者進行定製的運動，並實時調整以適應他們的動作。

這項基礎技術最終可以幫助中風患者、協作建築工人或幫助老年人獨立生活。

該研究結果已發表在《皇家學會介面期刊》中。