10萬美元的靈巧手，蘇黎世博士生用3D打印機和釣魚線造出了平替

靈巧的機器人手大概是機器人學(xué)里最吸引人也最折磨人的課題之一。人類的手能擰瓶蓋、旋鋼筆、握電鉆，也能輕輕拈起一張紙。而能接近這種靈巧度的機器人手，長期以來都是少數(shù)幾家公司的專利產(chǎn)品，十幾萬美元起步，維護成本高昂，壞了還不一定修得好。對全世界絕大多數(shù)做靈巧操作研究的實驗室來說，硬件本身是最大的瓶頸，不是算法寫不出來，是手買不起。

2026 年 3 月 15 日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）軟體機器人實驗室的團隊正式推出了 ORCA Hand 的商業(yè)化產(chǎn)品線，同步成立了 ORCA Dexterity 公司來運營這個項目。自相關(guān)的學(xué)術(shù)論文于 2025 年 4 月掛上 arXiv，其已經(jīng)在多個會議上展出過，此次發(fā)布后它終于從實驗室原型走向了可以訂購和復(fù)制的標準化產(chǎn)品。

圖丨相關(guān)論文（來源：arXiv）

ORCA Hand 是一只 17 個自由度（Degrees of Freedom，DoF）的仿人機器人手，肌腱驅(qū)動，指尖集成觸覺傳感器，所有結(jié)構(gòu)件都能用普通 3D 打印機制造，材料成本低于 2,000 瑞士法郎（約 2,200 美元，約 17,000 人民幣），一個沒有任何經(jīng)驗的人 8 小時內(nèi)能完成組裝。設(shè)計文件、控制代碼、仿真環(huán)境和組裝指南全部開源（項目地址：https://github.com/orcahand）。

長期以來，靈巧操作的標桿級產(chǎn)品都是倫敦 Shadow Robot 公司的 Shadow Dexterous Hand，其擁有 20 個自由度，超過 100 個傳感器，是 NASA 和 OpenAI 的標配工具。但它的價格超過 10 萬瑞士法郎（約 870,000 人民幣），DEX-EE 系列起價約 7.4 萬美元，維護需要企業(yè)級支持，設(shè)計高度集成導(dǎo)致維修困難。

Wonik Robotics 的 Allegro Hand 便宜一些，大約 1.9 萬美元，直驅(qū)設(shè)計，但體積大、形態(tài)受限，做不到人手的靈活。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的開源 LEAP Hand 材料成本也在 2,000 美元以下，組裝只要 3 小時，可靠性出色，但所有直驅(qū)手共享一個問題：電機嵌在手指里，慣量大，外形臃腫，快速靈活的動作做不了。

ORCA Hand 想在這些方案中間找一個新位置：肌腱驅(qū)動保留接近人手的外形和靈巧度，3D 打印和開源壓低門檻，再通過工程設(shè)計解決肌腱系統(tǒng)最致命的老問題，可靠性。

肌腱驅(qū)動手的天然劣勢是肌腱（通常是尼龍釣魚線）會松弛、磨損，精度隨時間下降。ORCA 團隊做了幾件針對性的事。所有肌腱都繞過光滑金屬銷釘，避免直接接觸 PLA 打印件，減少摩擦。非線性路徑使用特氟龍管。電機上方有一套棘輪卷軸機構(gòu)，幾秒鐘就能手動重新張緊肌腱，不需要拆任何東西。

他們還發(fā)明了一種“可彈出關(guān)節(jié)”（Poppable Pin Joints）。3D 打印關(guān)節(jié)的老問題是過載就斷，ORCA 的關(guān)節(jié)在受到過大外力時不會折斷，而是“脫臼”。軸承安放在弧形凹槽中，正常運行時卡得緊，碰撞時能彈出來。彈出來怎么辦？按回去即可。不換零件，不停機。組裝的時候也是同樣的操作，按進去卡住就行。

第三個關(guān)鍵是自動校準。肌腱路由設(shè)計確保每根肌腱都穿過或接近關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，各關(guān)節(jié)運動因此近似線性且彼此解耦。校準時系統(tǒng)自動把每個關(guān)節(jié)驅(qū)動到機械極限，記錄電機位置，結(jié)合 CAD 模型中已知的關(guān)節(jié)活動范圍，算出電機到關(guān)節(jié)角度的線性映射。不需要外部傳感器，幾分鐘完成。

精度測試中，團隊用 AprilTag 標記和 60fps 攝像頭追蹤關(guān)節(jié)實際角度，發(fā)現(xiàn) ORCA Hand 在 0.2Hz 和 0.5Hz 正弦波指令下的跟蹤精度與 LEAP Hand 相當(dāng)，延遲在 0.2 秒以內(nèi)。而且 ORCA Hand 的運動比 LEAP Hand 更平滑，后者有明顯的抖動，可能和手指內(nèi)部電機的慣量有關(guān)。

可靠性測試中，ORCA Hand 連續(xù)抓握毛絨玩具 2,250 次、持續(xù) 2.5 小時，沒有出現(xiàn)肌腱松弛、電機過熱或部件損壞（實驗是主動停止的，不是因為出了問題）。論文 v2 版本的數(shù)據(jù)顯示，這只手承受了超過 10,000 個連續(xù)操作循環(huán)，大約 20 小時不間斷運行，沒有硬件故障。負載方面，四指抓握最大可承受 10.5 公斤（103N），單根食指可承受 2 公斤。

（來源：arXiv）

應(yīng)用層面的演示覆蓋了三個方向。遙操作端，他們用 ROKOKO 動捕手套控制 ORCA 完成了拿筆寫字、擰開罐頭蓋、倒水、使用電鉆等精細任務(wù)。強化學(xué)習(xí)端，他們用 IsaacGym 并行訓(xùn)練 4,096 個 ORCA 手模型，僅一小時訓(xùn)練后就能零樣本遷移到真實硬件上完成網(wǎng)球的手內(nèi)旋轉(zhuǎn)。模仿學(xué)習(xí)端，他們用擴散 Transformer 架構(gòu)訓(xùn)練了抓取 - 放置策略，其中使用顏色分割預(yù)處理的版本在測試區(qū)域內(nèi)達到了 86.7% 的成功率。

觸覺傳感是 ORCA Hand 在同價位產(chǎn)品中一個明確的差異點。每個指尖內(nèi)置力敏電阻傳感器（Force Sensing Resistor，F(xiàn)SR），覆蓋在硅膠皮膚下，提供二值觸覺反饋。靈敏度實測低至 0.05N，遠超標稱的 0.29N 觸發(fā)力。但論文也寫明了局限：硅膠皮膚在 2m000 到 4,000 次抓取后開始老化，影響傳感可靠性；連接傳感器的細銅線在 4,500 到 7,000 次抓取后可能在關(guān)節(jié)附近斷裂。

此次商業(yè)化發(fā)布推出了三個配置，共享同一套機械架構(gòu)和固件接口。orcahand lite，9 個自由度，面向簡單抓取和演示，起價約 1,500 美元。標準版 orcahand，17 個自由度，起價約 3,500 美元。orcahand touch，17 個自由度加全指觸覺傳感，起價約 6,100 美元。

（來源：ORAC Hand）

ORCA Hand 并沒有在每個維度上都超過 Shadow Hand。Shadow Hand 有 20 個自由度，超過 100 個傳感器，力反饋和觸覺分辨率遠非 ORCA 可比。Shadow Robot 與 Google DeepMind 合作的 DEX-EE 系列更是專門為高強度機器學(xué)習(xí)實驗優(yōu)化，每根手指配備光學(xué)觸覺傳感器和數(shù)百個觸覺像素點。這些能力 ORCA 目前還做不到。

但 ORCA Hand 要解決的問題不是取代 Shadow Hand。它要解決的是：全世界大量中小實驗室和高校課程組的算法只能跑在仿真里，因為買不起硬件。過去一兩年靈巧操作領(lǐng)域的軟件進展很快，擴散策略、大規(guī)模仿真訓(xùn)練、零遷移強化學(xué)習(xí)，可很多團隊連一只能用的手都沒有。ORCA Hand 把“擁有一只靈巧手”的門檻從六位數(shù)預(yù)算降到了一臺 3D 打印機。

在論文中，團隊也提到了 ORCA Hand 目前存在的不足，例如長時間使用后仍需手動重新張緊肌腱，觸覺傳感器耐久性有待提高，銅線走線方案需要改進。他們計劃開發(fā)自動張緊機構(gòu)，并將觸覺信號直接集成到學(xué)習(xí)流程中。不過，作為一個開源項目，在全球開發(fā)者的參與下，這些問題的迭代速度或許還能更快。

參考資料：

1.https://www.youtube.com/watch?v=WNtlUViSrPg

2.https://arxiv.org/abs/2504.04259

3.https://www.orcahand.com/

運營/排版：何晨龍