頂刊IJRR | 機器人喂飯總掉？科學家造了把會“擁抱”食物的勺子

吃飯，是人類最基本的需求之一，它關乎生存、健康，也承載著社交與文化。

然而，對于全球數百萬因各種原因導致行動不便的成年人來說，這個簡單的日常動作卻是一項巨大的挑戰。他們中的許多人需要依賴看護者來完成每一次進食。

為了幫助他們重獲獨立和尊嚴，輔助進食機器人應運而生。這些機器人就像用戶手臂的延伸：用戶選擇想吃的食物，機器人便會自動拾取，并送到用戶嘴邊。

理想很豐滿，但現實卻有些“骨感”。

現有的輔助進食機器人，在面對多樣化的食物時常常顯得力不從心。它們使用的傳統餐具——叉子和勺子，本是為靈活的人手設計的。對于機器人來說，要精確地完成戳、舀、擰等動作，并在移動過程中保持食物不掉落，是一項極其復雜的任務。

最近，來自弗吉尼亞理工大學和康奈爾大學的研究團隊另辟蹊徑，他們提出了一個全新的假設：與其讓算法去適應為人類設計的工具，為什么不為機器人設計一款全新的、更智能的餐具呢？

基于這一思想，他們創造了一款名為Kiri-Spoon的創新性餐具。它將傳統勺子的舒適外形與軟體機器人的性能相結合，讓機器人喂飯這件事，變得更加簡單和可靠。

這項研究成果不久前發表在機器人領域國際頂級期刊《The International Journal of Robotics Research》（IJRR）上。

01.

一把會“擁抱”食物的勺子

那么，Kiri-Spoon究竟神奇在哪里？

它的核心靈感來源于日本的“切紙（Kirigami）”藝術。研究人員設計了一種由可變形的“切紙”結構組成的勺面。

在靜止狀態（平衡態）下，Kiri-Spoon看起來就像一個普通的、扁平的勺子。但當它被驅動時，這個2D的“切紙”薄片會迅速屈曲變形，形成一個具有可變曲率的3D碗狀結構。

這個過程，就像勺子張開雙臂，“擁抱”住食物一樣。

這種獨特的包裹式抓取機制，賦予了Kiri-Spoon超越傳統餐具的能力。在獲取食物時，機器人不再需要進行復雜的計算和精細的操作，只需將Kiri-Spoon移動到食物上方，然后驅動它“閉合”，就能穩穩地包裹住食物。在運送過程中，這個“碗”能有效防止食物（尤其是光滑或小顆粒的食物）滑落。當食物送到嘴邊時，只需釋放驅動力，Kiri-Spoon又會恢復成扁平的勺子形態，方便用戶舒適地進食。

為了確保Kiri-Spoon不僅功能性強，而且用戶體驗良好，團隊從一開始就采用了“利益相關者驅動”的設計流程。他們與護理人員、職業治療師以及殘障人士（來自弗吉尼亞的一個殘疾人社區The Virginia Home）進行了深入合作。

通過一輪又一輪的訪談和測試，團隊不斷迭代設計。例如，最初版本的勺柄連接環是剛性的，使用者反饋說在吃飯時會感到不舒服。根據建議，團隊最終采用了一種由鎳鈦合金（記憶金屬）制成的柔性環，外面包裹著食品級的柔軟材料。這個柔性環不僅讓用戶口感更舒適，還能在勺子接觸盤子或碗的表面時發生彎曲，更好地適應不同餐具的輪廓。

最終成型的Kiri-Spoon由三個核心部分組成：

1. 切紙勺片：由食品級、可3D打印的TPU材料制成，安全、廉價且易于更換。
2. 柔性環：支撐勺片的一端，提供舒適性和適應性。
3. 線性驅動器：一個1自由度的微型電機，用于拉動或釋放勺片，控制其曲率變化。

整個裝置不僅可清洗、保證食品安全，而且其模塊化的設計允許用戶根據不同食物或個人偏好，更換不同尺寸或材質的勺片。

02.

動口不動手，機械智能有多強？

那么，Kiri-Spoon的實際表現又如何呢？研究團隊用一系列嚴謹的實驗給出了答案。

首先，他們進行了一場全自動的食物獲取測試。

實驗中，一臺Franka Emika機械臂分別搭載了傳統餐具（叉子和勺子）和Kiri-Spoon。機器人利用先進的視覺算法（SPANet）自主識別并抓取盤子和碗里的各種食物。

結果顯示，對于胡蘿卜、圣女果、豌豆等圓形或小顆粒食物，Kiri-Spoon的抓取成功率超過80%。更關鍵的是，在處理豆腐、果凍這類柔軟、濕滑的“老大難”食物時，Kiri-Spoon展現了碾壓性的優勢，因為它能將食物完全包裹起來，而傳統勺子上的食物則很容易滑落。

更關鍵的是，傳統叉子在抓取食物時，需要根據食物的硬度和形狀精確調整“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。這無疑極大地簡化了機器人的控制算法，降低了任務的復雜度。

當然，Kiri-Spoon也有它的“軟肋”——對于像生菜葉這樣扁平、緊貼盤底的食物，它難以有效抓取。

接下來，團隊將實驗場景搬到了真實世界。他們帶著Kiri-Spoon回到了The Virginia Home社區，邀請了4位需要進食輔助的殘障人士進行親身體驗。他們將Kiri-Spoon安裝在了一款市售的輔助進食設備（Obi）上，并與該設備標配的傳統勺子進行對比。

客觀數據顯示，在處理罐頭橘子（濕滑）和通心粉（粘稠）時，Kiri-Spoon的成功率略高于傳統勺子。

更重要的是主觀反饋。盡管用戶們對傳統勺子無比熟悉，但他們認為Kiri-Spoon幾乎同樣舒適。而在“有效性”方面，參與者們普遍認為Kiri-Spoon表現更佳，感覺它“獲取食物更可靠”、“能更牢固地把食物送到嘴邊”。

一位參與者評價說，Kiri-Spoon“在盛取食物時更安穩”。這證明，Kiri-Spoon的設計能夠真正解決用戶的核心痛點。

03.

算法+硬件，實現1+1>2

為了更全面地評估Kiri-Spoon的價值，研究團隊還進行了一項更深入的用戶研究，旨在厘清“機械智能”（硬件創新）和“算法智能”（軟件優化）各自的貢獻，以及兩者結合的效果。

他們招募了16名無行動障礙的參與者，在一個“2x2”的實驗設計中，分別體驗四種組合：

• 傳統餐具+手動遙控
• 傳統餐具+自主算法
• Kiri-Spoon + 手動遙控
• Kiri-Spoon +自主算法

實驗結果清晰地揭示了“機械智能”的效果。

從客觀數據來看（下圖），“Kiri-Spoon +自主算法”的組合是毫無疑問的王者，它需要的嘗試次數最少，獲取的食物量最多。

一個驚人的發現是，即便是手動控制的Kiri-Spoon，其表現（獲取食物的量和成功率）也優于由自主算法控制的傳統餐具。這強有力地證明了論文的核心觀點：一個設計優良的物理工具，能從根本上降低任務的難度，其帶來的提升甚至可能超過單純的算法優化。

主觀感受上，雖然參與者因為習慣，仍然覺得用傳統勺子吃飯“更舒適”，但在被問及偏好時，16人中有10人明確表示更喜歡Kiri-Spoon。他們認為Kiri-Spoon“功能更全面，能出色地處理各種食物”，并且其靈活性“讓取食變得簡單直觀”。

這項研究不僅僅是關于一個新奇的勺子。它為整個輔助機器人領域，乃至更廣泛的人機交互領域，提供了一個重要的啟示：

在追求更復雜的算法和更強大的算力時，我們或許不應忽視對物理交互工具本身的創新。卓越的機械設計（硬件）與先進的控制算法（軟件）相結合，才能真正實現1+1>2的效果，從而為那些需要幫助的人們，帶來真正可靠、舒適且有尊嚴的解決方案。

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

參考鏈接：

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