顶刊IJRR | 机器人喂饭总掉？科学家造了把会“拥抱”食物的勺子

吃饭，是人类最基本的需求之一，它关乎生存、健康，也承载着社交与文化。

然而，对于全球数百万因各种原因导致行动不便的成年人来说，这个简单的日常动作却是一项巨大的挑战。他们中的许多人需要依赖看护者来完成每一次进食。

为了帮助他们重获独立和尊严，辅助进食机器人应运而生。这些机器人就像用户手臂的延伸：用户选择想吃的食物，机器人便会自动拾取，并送到用户嘴边。

理想很丰满，但现实却有些“骨感”。

现有的辅助进食机器人，在面对多样化的食物时常常显得力不从心。它们使用的传统餐具——叉子和勺子，本是为灵活的人手设计的。对于机器人来说，要精确地完成戳、舀、拧等动作，并在移动过程中保持食物不掉落，是一项极其复杂的任务。

最近，来自弗吉尼亚理工大学和康奈尔大学的研究团队另辟蹊径，他们提出了一个全新的假设：与其让算法去适应为人类设计的工具，为什么不为机器人设计一款全新的、更智能的餐具呢？

基于这一思想，他们创造了一款名为Kiri-Spoon的创新性餐具。它将传统勺子的舒适外形与软体机器人的性能相结合，让机器人喂饭这件事，变得更加简单和可靠。

这项研究成果不久前发表在机器人领域国际顶级期刊《The International Journal of Robotics Research》（IJRR）上。

01.

一把会“拥抱”食物的勺子

那么，Kiri-Spoon究竟神奇在哪里？

它的核心灵感来源于日本的“切纸（Kirigami）”艺术。研究人员设计了一种由可变形的“切纸”结构组成的勺面。

在静止状态（平衡态）下，Kiri-Spoon看起来就像一个普通的、扁平的勺子。但当它被驱动时，这个2D的“切纸”薄片会迅速屈曲变形，形成一个具有可变曲率的3D碗状结构。

这个过程，就像勺子张开双臂，“拥抱”住食物一样。

这种独特的包裹式抓取机制，赋予了Kiri-Spoon超越传统餐具的能力。在获取食物时，机器人不再需要进行复杂的计算和精细的操作，只需将Kiri-Spoon移动到食物上方，然后驱动它“闭合”，就能稳稳地包裹住食物。在运送过程中，这个“碗”能有效防止食物（尤其是光滑或小颗粒的食物）滑落。当食物送到嘴边时，只需释放驱动力，Kiri-Spoon又会恢复成扁平的勺子形态，方便用户舒适地进食。

为了确保Kiri-Spoon不仅功能性强，而且用户体验良好，团队从一开始就采用了“利益相关者驱动”的设计流程。他们与护理人员、职业治疗师以及残障人士（来自弗吉尼亚的一个残疾人社区The Virginia Home）进行了深入合作。

通过一轮又一轮的访谈和测试，团队不断迭代设计。例如，最初版本的勺柄连接环是刚性的，使用者反馈说在吃饭时会感到不舒服。根据建议，团队最终采用了一种由镍钛合金（记忆金属）制成的柔性环，外面包裹着食品级的柔软材料。这个柔性环不仅让用户口感更舒适，还能在勺子接触盘子或碗的表面时发生弯曲，更好地适应不同餐具的轮廓。

最终成型的Kiri-Spoon由三个核心部分组成：

1. 切纸勺片：由食品级、可3D打印的TPU材料制成，安全、廉价且易于更换。
2. 柔性环：支撑勺片的一端，提供舒适性和适应性。
3. 线性驱动器：一个1自由度的微型电机，用于拉动或释放勺片，控制其曲率变化。

整个装置不仅可清洗、保证食品安全，而且其模块化的设计允许用户根据不同食物或个人偏好，更换不同尺寸或材质的勺片。

02.

动口不动手，机械智能有多强？

那么，Kiri-Spoon的实际表现又如何呢？研究团队用一系列严谨的实验给出了答案。

首先，他们进行了一场全自动的食物获取测试。

实验中，一台Franka Emika机械臂分别搭载了传统餐具（叉子和勺子）和Kiri-Spoon。机器人利用先进的视觉算法（SPANet）自主识别并抓取盘子和碗里的各种食物。

结果显示，对于胡萝卜、圣女果、豌豆等圆形或小颗粒食物，Kiri-Spoon的抓取成功率超过80%。更关键的是，在处理豆腐、果冻这类柔软、湿滑的“老大难”食物时，Kiri-Spoon展现了碾压性的优势，因为它能将食物完全包裹起来，而传统勺子上的食物则很容易滑落。

更关键的是，传统叉子在抓取食物时，需要根据食物的硬度和形状精确调整“下叉”的角度（俯仰角），而Kiri-Spoon则可以在固定的角度下完成所有抓取任务。这无疑极大地简化了机器人的控制算法，降低了任务的复杂度。

当然，Kiri-Spoon也有它的“软肋”——对于像生菜叶这样扁平、紧贴盘底的食物，它难以有效抓取。

接下来，团队将实验场景搬到了真实世界。他们带着Kiri-Spoon回到了The Virginia Home社区，邀请了4位需要进食辅助的残障人士进行亲身体验。他们将Kiri-Spoon安装在了一款市售的辅助进食设备（Obi）上，并与该设备标配的传统勺子进行对比。

客观数据显示，在处理罐头橘子（湿滑）和通心粉（粘稠）时，Kiri-Spoon的成功率略高于传统勺子。

更重要的是主观反馈。尽管用户们对传统勺子无比熟悉，但他们认为Kiri-Spoon几乎同样舒适。而在“有效性”方面，参与者们普遍认为Kiri-Spoon表现更佳，感觉它“获取食物更可靠”、“能更牢固地把食物送到嘴边”。

一位参与者评价说，Kiri-Spoon“在盛取食物时更安稳”。这证明，Kiri-Spoon的设计能够真正解决用户的核心痛点。

03.

算法+硬件，实现1+1>2

为了更全面地评估Kiri-Spoon的价值，研究团队还进行了一项更深入的用户研究，旨在厘清“机械智能”（硬件创新）和“算法智能”（软件优化）各自的贡献，以及两者结合的效果。

他们招募了16名无行动障碍的参与者，在一个“2x2”的实验设计中，分别体验四种组合：

• 传统餐具+手动遥控
• 传统餐具+自主算法
• Kiri-Spoon + 手动遥控
• Kiri-Spoon +自主算法

实验结果清晰地揭示了“机械智能”的效果。

从客观数据来看（下图），“Kiri-Spoon +自主算法”的组合是毫无疑问的王者，它需要的尝试次数最少，获取的食物量最多。

一个惊人的发现是，即便是手动控制的Kiri-Spoon，其表现（获取食物的量和成功率）也优于由自主算法控制的传统餐具。这强有力地证明了论文的核心观点：一个设计优良的物理工具，能从根本上降低任务的难度，其带来的提升甚至可能超过单纯的算法优化。

主观感受上，虽然参与者因为习惯，仍然觉得用传统勺子吃饭“更舒适”，但在被问及偏好时，16人中有10人明确表示更喜欢Kiri-Spoon。他们认为Kiri-Spoon“功能更全面，能出色地处理各种食物”，并且其灵活性“让取食变得简单直观”。

这项研究不仅仅是关于一个新奇的勺子。它为整个辅助机器人领域，乃至更广泛的人机交互领域，提供了一个重要的启示：

在追求更复杂的算法和更强大的算力时，我们或许不应忽视对物理交互工具本身的创新。卓越的机械设计（硬件）与先进的控制算法（软件）相结合，才能真正实现1+1>2的效果，从而为那些需要帮助的人们，带来真正可靠、舒适且有尊严的解决方案。

正如本研究所展望的：未来或许可以为Kiri-Spoon加上柔软的叉齿，变成一把“Kiri-Spork”，让它在面对任何食物时都游刃有余。

参考链接：

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