Bàn tay Belgrade

bàn tay con người có 35 bộ truyền động [actuator] hay "cơ bắp"
trong đó 19 cơ bắp ở bên trong bàn tay, thực hiện những cử động chính xác, ví dụ: khép ngón tay, duỗi ngón
16 cơ bắp nữa nằm ngoài bàn tay, kết nối nhờ "gân" [tendon] cấp năng lượng thực hiện những động tác bám, nâng
đầu thập niên 1960 nhà khoa học Rajko Tomovic người Nam Tư ở viện Mihajlo Pupin tìm giải pháp bàn tay rôbot bằng cách nhìn vào sinh vật
Rajko Tomovic tạo ra bàn tay robot 5 ngón đầu tiên, có thể thực hiện những động tác chính xác

Tay giả
tháng 11 năm 1919 sinh ra ở Baja (Hungary), Tomovic năm 1936 học trung học ở Belgrade nơi gia đình ông di cư đến
theo học kỹ thuật điện ở trường đại học Belgrade, việc học của Tomovic bị gián đoạn bởi Thế chiến 2
Tomovic vào đảng cộng sản Nam Tư đấu tranh chống Phát xít Đức, bị bắt và đưa đi lao động cải tạo, có lúc đã làm ở mỏ
thế chiến 2 kết thúc, Tomovic thăng chức đội trưởng [captain] quân đội Nam Tư
sau Thế chiến, Tomovic trở về trường đại học Belgrade nghiên cứu tiến sĩ, ngành máy tính tuần tự, rồi làm việc trong 1 thập kỷ ở viện nghiên cứu hạt nhân Nam Tư ở Vinca
năm 1960 Tito dừng chương trình hạt nhân Nam Tư, Tomovic rời Vinca
năm 1961 Tomovic làm cho UCLA với tư cách học giả thỉnh giảng, rồi gia nhập Học viện Mihajlo Pupin
tại Mihajlo Pupin, Tomovic tham gia sản xuất máy tính CER-10 trang bị ống chân không và bóng bán dẫn
sau đó Tomovic chuyển sang phát triển những bộ phận giả, được cho là trợ giúp những cựu chiến binh Thế chiến

Điện sinh cơ
năm 218 trước Công nguyên, tướng Marcus Sergius được lắp một tay giả được làm bằng sắt, cho phép vị tướng La Mã cầm khiên ở trận chiến chống lại tướng Hannibal của đế quốc Carthage
thế kỷ 16, Goetz Von Berlichingen (Đức) và Ambroise Paré (Pháp) làm 2 tay sắt; truyền lực bởi lò xo, đòn bẩy [lever] và bánh răng, người dùng có thể thực hiện động tác túm chặt, bằng những động tác "gồng" của ngực hoặc cánh tay
thập niên 1910 tiến sĩ phẫu thuật Ferdinand Sauerbruch người Đức tạo ra một tay giả, được điều khiển bởi những đinh ghim [pin] được gắn "phẫu thuật" vào cẳng tay [forearm]
tay giả Ferdinand Sauerbruch không được sử dụng, phần vì lý do chi phí, phần vì những nhiễm trùng và viêm nhiễm... xuất phát từ những chuẩn bị phẫu thuật cần thiết cho bộ phận giả [stump]
thập niên 1940 và 1950 Đức và Liên Xô có những nghiên cứu cho ý tưởng "điều khiển bởi tín hiệu cơ bắp"
một người tiên phong cho ý tưởng này là Ljudevit Vodovnik ở Slovenia, đã hợp tác với Học viện công nghệ Case ở Cleveland để tiên phong những ứng dụng hỗ trợ
ngay ở những hệ thống "điều khiển bởi tín hiệu cơ bắp" sơ khai này, người dùng đã có thể điều khiển để thực thi những chuỗi đã-xác-định-trước để biểu diễn một hành động đơn giản, căn bản là những máy nhặt rác

Lỗi
Tomovic cho rằng, mặc dù những bộ phận và mạch điện của tay giả đã cải thiện từ sau Thế chiến 2, lý thuyết toán học để điều khiển chúng vẫn bị lạc hậu
năm 1965 Tomovic trả lời báo chí Mỹ: "chúng tôi không quan tâm việc thay đổi 'phần cứng', thay vào đấy, chúng tôi đang nghiên cứu những kỹ thuật toán mới trong việc sử dụng máy tính"
Tomovic tìm cách cải thiện những lý thuyết này bằng cách mô hình hoá cách thức hoạt động của những hệ thống sinh vật: tiếp nhận những dữ liệu cảm biến từ thế giới bên ngoài, và đáp trả theo một cách tự nhiên
nói về tay giả, Tomovic chỉ ra rằng những hệ thống hiện hữu đã phụ thuộc vào "không lỗi": giám sát trạng thái của chính mình, so với một tham chiếu nội bộ [internal reference] hay một tín hiệu mệnh lệnh [command signal] - khác biệt giữa 2 thứ này được gọi là lỗi [error]
mục tiêu là giảm thiểu lỗi: nếu trạng thái tham chiếu của tay robot được mong muốn là 30 độ, những cảm biến của tay nói là 28, những động tác tiếp theo sẽ tìm cách giảm bớt "lỗi" 2 độ
bắt chước cách hoạt động của những hệ thống sinh vật, Tomovic đề nghị một đảo ngược: hệ thống sẽ tối đa hoá "lỗi"
Tomovic đưa ra một tình huống: một bàn tay sẽ siết một vật thể nào đó, thấy rằng những bàn tay người, kể cả những đứa bé, thực hiện động tác này bằng cách tối đa một tín hiệu phản hồi [feedback] tức là diện tích bề mặt da người đang chạm vào vật thể
Tomovic thấy rằng mô hình lý thuyết này có thể xử lý những tình huống khác nhau: thay vì điều khiển bàn tay, khi nào siết... chỉ cần đưa ra một số mục tiêu và điều kiện lỏng lẻo, và để bàn tay tìm ra cách riêng, thông qua một vòng lặp phản hồi "tối đa hoá lỗi"
Tomovic thí nghiệm một khung xương bàn tay chạy-bằng-điện, cấu trúc giống người, bọc một găng tay cao su dẫn điện: áp lực lên găng tay sẽ sản sinh một tín hiệu phản hồi, hệ thống sẽ được khuyến khích để tối đa hoá (tín hiệu phản hồi)
một khi đã nắm hoàn toàn, tín hiệu dừng tăng, tay dừng siết... tự động phản hồi
vậy là, bàn tay đeo-găng có thể co ngón tay ôm lấy nhiều vật thể với những kích cỡ khác nhau, không cần được lập trình cụ thể cho kích thước và tình huống riêng biệt của mỗi một vật thể
so với những chế độ [regime] lý thuyết điều khiển trước đấy, dòng chảy định nghĩa mục tiêu cuối cùng, ở đây là siết vật, mà không định nghĩa cứng nhắc những trạng thái chuyển tiếp để đạt được mục tiêu cuối ấy, đã là một bước đột phá lớn
trong báo cáo, Tomovic ghi rằng ông và đội ngũ muốn sử dụng những nguyên tắc này để phát triển một tay giả hoàn thiện, và có thể cả một rôbôt

Nguyên mẫu
năm 1963 nhóm bắt đầu phát triển tay Belgrade
đầu năm 1964 nhóm Tomovic trình làng sản phẩm, chạy điện từ một nguồn ngoài, tay Belgrade to bằng tay người, năm ngón giống tay người, trong đó 4 ngón không-phải-ngón-cái hoạt động giống ngón tay tự nhiên, với 3 khúc [đốt ngón tay] cứng được nối bởi những khớp linh hoạt
tay Belgrade được gắn với một cẳng tay [forearm] và được di chuyển bởi một cảm biến áp lực, được kích hoạt bởi những cơ nhị đầu [bicep] của một người dùng
ngón cái của tay Belgrade hoạt động khác ngón tay người, chỉ có thể xoay giữa 2 vị trí: 1 bên ngoài bàn tay, 1 bên trong bàn tay, ngay đối diện ngón giữa
sử dụng 1 trong 2 kỹ thuật, tay Belgrade có thể túm những thứ với nhiều kích cỡ
kỹ thuật thứ nhất, ngón cái sẽ xoay từ bên ngoài bàn tay: khi bất cứ đầu ngón tay [finger pad] nào chạm một vật thể, 4 ngón không-phải-ngón-cái sẽ nắm quanh vật thể ấy, bằng một động tác siết (giống cây bắt ruồi)
nếu vật thể quá dày (ví dụ một quyển sách), quy trình nắm của ngón sẽ bị cản trở, bàn tay sẽ kết thúc ở một động tác giống như móc [hook]
nếu vật thể nhỏ, ngón tay sẽ đạt đến giới hạn trước, ngón cái sẽ xoay vào trong, từ vị trí ban đầu, đến vị trí bên ngoài những ngón đã-siết, tạo ra một nắm đấm
kỹ thuật nắm thứ 2 là với những đầu ngón [fingertip] để nhặt vật nhỏ
những động tác này được truyền lực bởi một động cơ bánh răng, phần nào nằm bên ngoài bàn tay
lực của động cơ được phân phối, sử dụng một tập hợp những lò xo và đòn bẩy
cảm biến áp lực trong những ngón tay sẽ trả lại tín hiệu phản hồi cho hệ thống xác định động tác
năm 1962 Henrich Ernst ở trường MIT tiên phong bàn tay rôbôt MH-1 gắn với một máy tính kỹ thuật số

Nâng cấp
một đánh giá lâm sàng đã xác định những nhược điểm của tay Belgrade đầu tiên: phức tạp cơ học, khó quản lý, hệ thống cấp điện ngoài đã khiến nó quá đồ sộ
giữa thập niên 1960 cơ quan phục hồi nghề nghiệp [Vocational Rehabilitation Administration] tiểu bang Washington tài trợ dự án của nhóm Tomovic
VRA tìm cách phát triển một hệ thống cánh tay chạy-điện-ngoài đa chức năng
năm 1966-1967 đội ngũ robotic học viện Pupin hợp tác VRA và viện khoa học quốc gia Hoa Kỳ: dự án đối tác đã cho phép một số người Mỹ đi đến Nam Tư, một trường hợp hiếm thấy, đến nỗi một số kênh tin địa phương đã đăng tải
bản 2 áp dụng những nguyên tắc giống bản 1, nhưng với những điều chỉnh cho hệ thống đòn bẩy [lever], khớp ngón và ngón tay cái
cải thiện logic điều khiến, cho phép người dùng thêm tính linh hoạt và khả năng dự đoán, liên quan đến cách thức co duỗi bàn tay
ngày 30-31 tháng 7 năm 1969 tay Belgrade và 8 sản phẩm ứng viên khác đã trình làng ở buổi hội thảo lần thứ 7 cho những bộ phận giả chi-trên [upper-extremity prosthetics component] tại Santa Monica
tay Belgrade thế hệ 2 quá nặng, không thể lắp cho người thử, nên đã không được lựa chọn cho sử dụng
sớm sau đó NASA có ý sử dụng tay Belgrade làm thiết bị thực thi đầu cuối [end effector] cho một số dự án vũ trụ, nhưng đã không thành

Rôbôt
thập niên 1980 tay robot thường là những bộ kẹp [grip] 2 ngón
Ken Salisbury trình làng tay ba-ngón được thương mại hoá là một sản phẩm đắt tiền
MIT hợp tác Utah trình làng tay Dextrous
sau này Ken Salisbury vào làm cho công ty Intuitive Surgical góp sức phát triển hệ thống phẫu thuật Da Vinci
quỹ khoa học quốc gia [National Science Foundation] tài trợ các trường đại học mua bàn tay MIT-Utah Dextrous 5 ngón
cuối thập niên 1980 Tomovic hợp tác bạn lâu năm George Bekey trường đại học Nam California phát triển phiên bản bàn tay Belgrade/USC

University of Southern California
hệ hình [paradigm] đương đại của vận động robot là một hệ thống từ-trên-xuống, tiếp nhận những tín hiệu đầu vào từ những cảm biến, xử lý những tín hiệu ấy, nhận diện mẫu hình [pattern], luận ra [infer] hành động đáp trả, rồi lập kế hoạch những vận động để thực thi
Tomovic và George Bekey cho rằng hệ thống này quá phức tạp, cần những mô hình toán rõ ràng những quỹ đạo và động tác
2 người đưa ra một triết lý điều khiển, dựa trên những đáp trả [response] được lưu giống-như-phản-xạ được kích hoạt bởi những mẫu hình [pattern] cảm giác đã-học-được... gọi là "điều khiển phản xạ nhân tạo" ARC [artificial reflex control]
năm 1990 bàn tay Belgrade/USC trình làng, sử dụng 4 động cơ riêng biệt cho 4 ngón không-phải-ngón-cái, ngón cái có 2 khớp để có thể xoay theo một trục song song với cổ tay, đối diện ngón trỏ, ngón giữa và ngón áp út
bàn tay Belgrade/USC được thiết kế để lắp cổ tay vào cánh tay robot Puma 560, thêm một máy tính IBM PC/AT thực hiện những tác vụ cao cấp hơn: xác định hình ảnh vật thể mục tiêu, xác định một chiến lược nắm, định-hình-trước và đặt vị trí [position] bàn tay
khối lượng tối đa của tay Belgrade trên cánh Puma 560 là 2.268 cân
5-6 bàn tay Belgrade/USC được làm và bán cho các phòng nghiên cứu ở các trường đại học ở Đức, Mỹ và Nam Tư
ở mảng thương mại, tay Belgrade/USC quá phức tạp để cạnh tranh được những tay gắp [grip] rôbôt đơn giản
George Bekey nhớ lại rằng đã gọi vốn phát triển phiên bản thứ 3, nhưng không thành, rồi một công ty nhỏ ở California thử thương mại hóa nhưng đã chỉ bán được 2-3 chiếc và thua lỗ nặng
năm 1990 Nam Tư tan rã, Tomovic ở ẩn và mất năm 2001 hưởng thọ 81 tuổi
thập niên 1990 George Bekey vẫn nghiên cứu khả năng điều khiển rôbôt lấy-ý-tưởng-sinh-vật trước khi mất năm 2025 hưởng thọ 96 tuổi

Cần gì 5 ngón
năm 2008 George Bekey trả lời phỏng vấn tạp chí Wired rằng bàn tay rôbot ngày nay không cần 5 ngón, tay Salisbury chứng minh rằng 3 ngón là đủ
giá trị cốt lõi Tomovic mang lại là lý thuyết lấy-ý-tưởng-sinh-vật điều khiển robot thông qua những hành vi phản xạ cục bộ [local reflex action] thay vì những hệ thống từ-trên-xuống