比视觉更快，比语言更直接：机器人正在重建人与人之间的触觉连接 | Science Robotics 封面文章

过去几十年，人机协同的发展，几乎都建立在两个感官之上：视觉和听觉。

无论是工业机器人协作、远程操控，还是人与人的联合作业，人们习惯通过"看见对方"和"听见对方"来完成配合。但真正发生在身体里的另一种信息，却长期没有进入主流的人机交互体系——触觉。

事实上，当两个人共同完成一项动作时，真正决定协同质量的，并不仅仅是谁先看到、谁先听到，而是双方是否能够实时感知彼此动作中的力量、速度和细微偏差。这类信息很难通过视觉完整表达，却天然存在于人与人直接接触时产生的触觉反馈之中。

来自罗马生物医学自由大学（Università Campus Bio-Medico di Roma）Francesco Di Tommaso团队发表于《Science Robotics》的一项研究，试图回答一个更加基础的问题：如果机器人能够在人与人之间建立一条实时触觉通道，是否能够比视觉更有效地帮助人们完成协同任务？

他们没有选择工业流水线，也没有选择实验室里的标准轨迹，而是选择了一项远比机械运动复杂得多的任务——双人小提琴合奏。

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为什么触觉一直缺席？

在人类神经系统中，触觉承担着一种特殊的信息传递功能。

视觉能够告诉我们"对方在哪里"，听觉能够告诉我们"发生了什么"，而触觉能够直接传递运动中的机械信息，例如力量、阻力、加速度以及动作误差。

这种信息几乎不需要复杂认知处理，身体便能够立即作出调整。

这也是为什么，两个人抬同一张桌子时，即使彼此一句话不说，也能够自然调整步伐；两位舞者身体轻轻接触，就能完成复杂配合；医生在手术过程中，通过器械传来的阻力变化判断组织状态。

然而，在绝大多数机器人系统中，这种天然存在于人体之间的信息几乎消失了。

过去大量关于触觉反馈的研究，大多停留在实验室环境，例如按照固定轨迹移动、按照节拍同步摆动等高度结构化任务。这些实验虽然证明触觉能够提升协同性，却很难说明它是否能够真正适用于更加开放、更自然、更复杂的人类联合行动。

因此，这项工作的意义，并不仅仅是增加了一种新的反馈方式，而是在探索一种新的协同机制：机器人是否可以成为人与人之间感觉信息的"中介"。

图 外骨骼系统概览

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机器人没有连接两个人

却让两个人"感觉到了彼此"

为了验证这一问题，研究团队开发了一套双向触觉交互系统。

整个系统由两套上肢动力外骨骼组成，分别佩戴在两位演奏者身上。每套设备能够实时采集肩关节和肘关节运动，并根据另一位演奏者当前动作计算对应的反馈力矩，再通过外骨骼重新作用到使用者手臂。

这种反馈并不是简单的振动提醒。

研究人员构建了一种与两人动作偏差成比例变化的粘弹性力场（Viscoelastic Torque Field）。换句话说，两位演奏者动作越一致，反馈越小；动作偏差越大，系统产生的机械约束也越明显。

整个过程中，两个人之间没有任何物理连接，也无需主动交流，却能够持续感知彼此动作变化。

为了保证交互自然性，系统采用串联弹性驱动器（SEA）提供柔顺输出，同时设计了肩部重力补偿机构以及多自由度可调结构，使机器人能够尽可能与人体运动保持一致。控制系统则采用高层、中层和底层三级控制架构，实现透明模式与双向触觉模式之间的实时切换。

从本质上说，这套系统并不是在控制人的动作，而是在重建人与人之间原本不存在的"机械联系"。

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一场关于协同的实验

为了避免实验过于理想化，研究团队共招募40名小提琴演奏者，包括专业与业余演奏者，共组成20组二重奏。

实验过程中，两位演奏者分别完成四种不同信息反馈条件下的演奏：仅听觉（A）、听觉加触觉（AH）、听觉加视觉（AV）以及听觉、视觉和触觉同时存在（AVH）。

图 实验配置概览

为了进一步突出不同感觉通道的作用，在部分实验中，两位演奏者之间还通过幕布完全遮挡视线，使视觉信息无法参与协同。整个过程中，动作捕捉系统和音频采集系统同步记录关节运动、琴弓轨迹以及最终演奏质量。

相比很多机器人实验关注任务是否完成，这项研究更加关注人与人之间"配合得是否更自然"。

因此，研究团队分别从运动学和声学两个层面对协同效果进行了量化分析。

运动学方面，通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘法（PLS）提取动作主导特征，分别计算空间协同性和时间协同性；声学方面，则利用频谱重心和小波相干分析评价音色一致性以及动态一致性。

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触觉没有替代视觉，而是补充了视觉

无论是在关节运动还是琴弓运动层面，引入触觉反馈后，两位演奏者之间的空间偏差均明显减小，动作同步程度进一步提高。

更重要的是，在时间协同性指标上，触觉反馈同样持续表现出优势。

这意味着，触觉不仅帮助演奏者知道"应该往哪里动"，更帮助他们知道"什么时候一起动"。

图 声学特征分析结果

相比之下，在音乐最终表现方面，触觉并未明显改变音色特征，却显著提升了两位演奏者在响度变化上的一致性，也就是说，双方对于音乐强弱变化的把握更加同步。

尤其值得注意的是，当视觉、听觉和触觉同时存在（AVH）时，各项指标通常达到最佳表现。

这一结果说明，触觉并不会干扰已有感觉系统，而是能够作为一种新的信息维度，与视觉和听觉共同参与联合行动。

长期以来，人们对于外骨骼的理解主要集中在"增强力量"和"辅助运动"。无论工业外骨骼还是康复机器人，其目标大多是帮助一个人完成动作。

而这项研究提出了一种完全不同的思路：机器人不仅能够连接人与机器，也能够连接人与人。

未来，外骨骼或许不只是运动辅助设备，还可能成为一种感觉信息传递平台，在人与人之间建立新的交互方式。

这种能力意味着，它未来不仅可以应用于音乐训练，也可能扩展至康复训练、远程操作、技能传授乃至跨空间协同等更加广泛的场景。例如，康复治疗师可以通过机器人实时将动作信息传递给患者；经验丰富的工匠可以把细微操作感觉传递给学徒；远程机器人操作者之间也能够建立近似面对面的身体协同。

从这个意义上说，这项工作真正验证的，是一种新的协同范式：机器人可以不只是人的工具，也可以成为人与人之间的感觉中介。

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