競速：機器人超越人類

編譯 胡德良

來見識一下即將超越世界上跑步最快的人類的超級機器人吧！

你可能將機器人想象為笨拙的物體——呆板、沉悶，甚至像步履蹣跚的老人，似乎需要利用咖啡因提神。但是，機器人即將大踏步前進起來。你只需問一問哥倫比亞大學工程學教授霍德·利普森（Hod Lipson），就知道這一切了。利普森在《自然》（Nature）雜志上寫道：“幼小的動物在田野上飛奔，攀爬樹木，跌倒后可以立即靈巧地站起來——機器人也將效仿這些動物了。”

利普森是正確的，新一代快速機器人有望最終超越在2020年東京奧運會上參加賽跑的運動員。基于控制論、具有競爭力的著名機器人包括：麻省理工學院（MIT）占主導地位的“獵豹”（Cheetah）、波士頓動力公司的“佩特曼”（Petman）和“漢德爾”（Handle）、密歇根機器人公司的“梅布爾”（Mable）以及南非開普敦大學的“巴萊卡”（Baleka）。

此外，佛羅里達大學人類與機器認知研究所（IHMC）推出了一款無傳感器的智能兩足機器人，俗稱“平面橢圓跑步機器人”（PER）。Verge網站將PER描述為“全機械”，這意味著只需要較少的技術就能夠讓它保持直立。

PER的核心是一個單獨的發動機以橢圓形運動方式驅動其腿部，這有助于使它具備穩定性，避免向前或向后跌倒。扭力彈簧為PER的腿部提供額外的動力，使其更加穩定。PER的動態圖形完美，不受任何數字運算處理器的影響。在跑步機上，這臺步態流暢的跑步機器人每小時可跑12英里，這聽起來似乎很快。畢竟，有史以來最快的馬拉松比賽不過是以13英里/小時的速度展開的，那是肯尼亞的埃里德·基普喬格（Eliud Kipchoge）于2018年在柏林參賽時的速度。

EPFL生物機器人實驗室制造的蜥蜴機器人

《國家地理》（National Geographic）雜志報道說：IHMC的機器人先驅“希克斯跑步者”（HexRunner）創下了32.2英里/小時的世界紀錄，超越了先前由MIT四足先驅“獵豹”創下的28.3英里/小時的紀錄。貓科動物獵豹借助于腿、脊柱的長度和保持平衡的尾巴，僅僅在三秒鐘之內即可達到69.5英里的時速。

希克斯跑步者以輪子為基礎，外觀與MIT基于機械的獵豹完全不同，其高度接近6英尺。通過兩側輪子的旋轉，這款機器人會像風滾草一樣滾動，因此只要六只腳中有一只腳離開地面，就會有另外一只腳落地。

IHMC科學家杰里·普拉特（Jerry Pratt）表示，他的團隊正在努力實現機器人快速、優雅地移動。“大多數跑步和行走的機器人都裝有很多傳感器，每秒大約讀取傳感器數據1 000次，通過大量的計算來發現執行器應該做什么。而且，我們必須為將能量轉化為運動的執行器提供快速、合適的功率脈沖，否則機器人就會跌倒。”

相比之下，希克斯跑步者通過機械原理運行，主要依靠彈簧和連桿平穩地運轉。普拉特說：“所有反饋機制都是依照自然規律產生的，因此當你在遙控器上按下加速鍵時，無需進行大量計算即可獲得充分的感應，這樣可以加快電機速度，為電機提供更多動力。僅僅基于動力學和幾何學機制，機器人就具備了穩定性。”

相比之下，跟希克斯跑步者同類的機器人“快跑者”（FastRunner）略微慢一點，時速27英里，擁有兩個分叉的腳。普拉特告訴《大眾機械》（Popular Mechanics）：“我們受到鴕鳥和其他快跑鳥類的啟發，它們跑起來非常快，而且看似毫不費力。”

生物學家對動物的理解通常會影響機器人研究的成果，反之亦然。生物帶來的啟示激發了工程師的靈感，如哈佛大學制造的像章魚一樣的“章魚機器人”（Octobot）和瑞士聯邦理工學院制造的像火蜥蜴的智能“蜥蜴機器人”（Pleurobot），都是既會走路又會游泳。

普拉特說：“理解動物可以使制造更高質量的機器人變得更容易。”在實際應用中，如執行搜救任務，速度是關鍵。而且，跟制造比賽用的快車一樣，為了制造出能夠快速奔跑的機器人，我們的認識和開發技術將對制造中等速度的機器人非常有用，這樣的機器人會變得極為可靠、高效和安全。”

希克斯跑步者的最高速度能夠達到30英里/小時，這是普拉特所在的研究所利用控制論研制出來的最快的機器人。然而，這款機器人看起來更像輪子而不像鳥。因此，即使它具有跑步機器人所有的主要功能，也并不是每個人都愿意將其稱為跑步機器人。

相比之下，兩足機器人PER更像傳統的機器人，顯然具有最大的潛力，因為盡管只有2英尺高，但它有輕快的步速。普拉特相信，他的團隊可以制造出一個長著長腿的機器鳥，奔跑速度能夠超過鴕鳥。鴕鳥作為兩條腿跑得最快的動物，其速度可以達到45英里/小時。普拉特說：“然而，它很可能會在不到一個小時的時間內耗完電池。盡管我們的機器人可以相當高效，但是仍遠遠達不到動物那樣高效。在機械方面，運行中的機器人會受到發動機有限功率的阻礙，加速時空氣的阻力會變強，因此如何加強結構也對機器人研發構成了挑戰。

同時事實證明，MIT的獵豹能夠達到28.3英里/小時的速度，比傳奇人物尤塞恩·博爾特（Usain Bolt）創下的27.8英里/小時的陸地速度紀錄還要快。獵豹機器人仍然是速度的基準。它通過強勁的遠程電源供電，在室內的跑步機上和無擾動的理想條件下打破了這個紀錄。另一個內在優勢是，獵豹擁有類似于PER的高效設計。

在跑步機測試中，獵豹機器人大約相當于實際獵豹的大小和重量，以5英里/小時的速度連續小跑一個半小時，這時消耗的能量很少。這款機器人大踏步高效前進的關鍵是將輕巧的電動機安裝在其肩部，這樣可以產生較高的扭矩，且不會浪費很多熱量。在2014年9月，分析家肯德爾·科斯特洛（Kendall Costello）在多戈新聞網發表的帖子中指出：其中的難點在于將電池、傳動裝置和電動機混裝在一起。

MIT的獵豹機器人

與獵豹相似、更栩栩如生的“野貓”（WildCat）機器人，是MIT衍生公司——波士頓動力公司的研究成果，由國防部“最大機動性和操控主動性計劃（M3）”資助。野貓的行進速度相當快：在平坦的地形上，在保持跟馬和狗一樣的奔騰狀態下，其速度可達20 英里/小時。為了保持牽引力和平衡，野貓會傾斜身體轉彎。

野貓的驅動裝置是以甲醇為燃料的發動機，該發動機依靠壓力流體驅動液壓致動系統。它通過諸如“本體感覺”（對體位和運動的意識）和“視覺測距法”（對相機圖像的分析）之類的方法來掌握移動軌跡。此外，野貓的激光測距儀可測量其本身與地面的距離。多戈新聞網上寫道：“盡管野貓能夠獲得令人印象深刻的速度，但是它的大型汽油發動機卻非常笨拙，因此實用性不高。”

波士頓動力公司有競爭力的產品是一臺軍事設備——佩特曼，該設備打破了以控制論為基礎的速跑模式，將人體形狀用于測試化學防護服。此外，在大型火災等危險情況下，佩特曼有望進行熟練的搜救行動。

軍事計劃中心陸軍技術公司稱，佩特曼步行的最高速度為4.4英里/小時，似乎沒有給人留下多少印象，但是它行動起來像真人一樣。此外，佩特曼看起來充滿活力，且具備更多能力，就像無情的、虛構的T-800終結者一般。

密歇根大學腿部運動實驗室制造的梅布爾敏捷且具有真人的特點，因在2011年被冠以最快的有膝雙足機器人而聞名，現在已經不再參加競速比賽。梅布爾的特點在于其敏捷性，且具有“旅行反應能力”，可以以6.8 英里/小時的速度跑9分鐘。

哥倫比亞廣播公司記者維羅尼克·格林伍德（Veronique Greenwood）寫道：“梅布爾在室內的一條小徑上昂首闊步、趾高氣揚地走過。你會注意到，它腿部的彈跳運動跟人類奔跑時非常相似——兩者都有大約40%的時間是騰飛在空中的。”梅布爾現已退休，在芝加哥菲爾德博物館接受展覽，為主題為“跨越時間的發現之旅”生物力學展覽增添了魅力。

全球首款商業公開發布的有腿跑步機器人是大眾籌集資金研制的“優勝跑步者”（OutRunner），盡管這款機器人已進入內部測試階段且大有前途，但它從未離開過實驗樓。優勝跑步者被Gizmodo網描述為“跑得飛快”，它呈星形，擁有兩條腿。

2011年，密歇根大學的杰西·格里茲爾（Jessy Grizzle）教授與梅布爾及實驗室的成員們

開普敦大學的帕特爾、卡倫·費舍爾（Callen Fisher）和布洛姆以及非洲的第一臺兩足機器人巴萊卡

據說，優勝跑步者的才能包括能夠在幾乎任何地形上跑步，不管是在瀝青地面、草地還是塵土之中，都能以高達20英里/小時的速度跑步。宣傳稿上說：“優勝跑步者的重心低于腿部旋轉軸，利用浮力作用，使其產生了更高的穩定性，并且無需昂貴的傳感器和復雜的控制算法。”不過，優勝跑步者還未能激發足夠的熱情。它在Kickstarter網發起的籌集資金活動僅僅籌集了62 271美元，不到目標15萬美元的一半。

目前在運動控制論領域，最激動人心的新秀可能就是開普敦大學研制的新型兩足機器人 “巴萊卡”，這個名字在祖魯語中意為“沖刺”。

2019年4月，巴萊卡的研制團隊負責人阿米爾·帕特爾（Amir Patel）告訴記者：“在機器人技術方面，科學家正在做很多事情，但其中很多工作都集中在穩態運動或恒速運動上。”

巴萊卡是由碩士研究生亞歷山大·布洛姆（Alexander Blom）設計的。通過編寫帶有明確參數的一次性加速和停止算法，布洛姆成功地確定了合適的機器人結構。他告訴《開普商業新聞報》的記者說：“通過測試加速和減速運動，嘗試不同的腿長和傳動比，可以確定我們需要制造什么樣的機器人。”

接下來，該團隊設計了巴萊卡的操作系統、傳感器、電子器件，甚至還設計了一個切斷開關。如果出現任何問題，能夠立即將其關閉。

帕特爾告訴《大眾機械》的記者，巴萊卡的設計旨在能夠極快加速。因此，基于超高效、高扭矩扭轉力的無刷直流電動機和高頻軟件控制器，這款機器人能夠產生高能爆發力，這使得巴萊卡可以脫離地面，甚至跳躍起來。

帕特爾指出了巴萊卡能夠擁有更快速度的兩個原因。首先，帕特爾及其團隊希望機器人更加自主化，為了實現這一目標，機器人本身能夠對突然的變化（如滑片錯位等）迅速做出反應。第二個原因是他們構建了一個利用新型傳感系統測試高速算法的出色平臺。例如，他的團隊為巴萊卡設計的算法可直接轉移應用到其他系統，如飛機和自動駕駛汽車等。

與普拉特一樣，帕特爾也表示，這款機器人將主要應用于緊急情況。他預測：有朝一日，高速機器人將在充滿挑戰的災難空間（如洪水或地震）中尋找幸存者，這一任務迫使機器人設備在跨越障礙物的同時提高速度。

從帕特爾的觀點來看，運行起來的機器人已經將人甩在后面。當然，目前這些機器人特別擅長在實驗室里運行！在外面的真實環境中運行起來就相當具有挑戰性了，因為常常會發生故障和失誤。

其中，最大的挑戰是認知。帕特爾說：“目前，我們的大腦可以輕松地根據環境的變化做出調整。要想使機器人走出實驗室，它們的反應需要大幅度加快，它們需要學習。”技術專家鮑里斯·科根（Boris Kogan）是阿斯麥公司的機電一體化架構師，他同意帕特爾關于機器人研發障礙的觀點。

科根說：“步行機器人，不管是兩足的還是四足的，仍然是一個不斷發展的領域。盡管步行和奔跑對于動物來說很簡單，但是我們仍然看不到機器人在自然的環境中工作得很好。”他的研究將電子學與機械工程學結合在一起。

要想使機器人站起來，并確保它們在未知的干擾環境中執行任務時保持直立，就需要擁有更加智能的硬件控制。除了在每一步中必須跟地面進行交互之外，正在運行的機器人還必須要處理“任務本身”。科根說：“災難預防和修復任務可能涉及打開門、轉動杠桿、越過物體以及操作那些人類制造的設備，如使用電鉆等。我們希望機器人運動領域進一步成熟，并制造出超越人類能力的下一代機器。我們抱有高期望值的另一個原因是像飛機等其他成熟的機器，通過飛行進入平流層，從而超越了我們的身體限制。”

機器人改進的前景是良好的。科根說：“已經有許多比我們更加強大的機器人了。通過一種新的橡膠狀人造肌肉，機器人的力量很快就能提高15倍。利用彈性形狀記憶合金等在內的適應性智能材料可能會進一步提高速度。有了足夠大的功率密集型能源，或許我們就能夠將任何機器推動到難以想象的速度。”在需要快速響應來避免災難的情況下，快速機器人行動起來將比人類更快捷，效果更好。在將來，機器人能夠達到的速度可能是令人吃驚的。

跟普拉特一樣，科根也認為最快的機器人可能是一種混合結構。他引用了一個鼓舞人心的混合結構產品，即波士頓動力公司的漢德爾機器人，它可以通過輪子平穩快速地移動，而輪子折疊起來就可以成為雙腿。這款擁有雙腿、可自由行駛的機器人被《連線》雜志稱為“賽格威平衡車”，站起來時身高為6.5英尺。這款平衡車通過微調控制算法保持直立，利用側面的轉動裝置可以堆放箱子，運行速度為9英里/小時，可垂直彈跳4英尺。

盡管漢德爾具有驚人的靈活性，但是它的原理很簡單。漢德爾使用了許多制造四足和兩足機器人時所利用的動力學、平衡和移動操縱原理，但是它只有大約10個活動關節，因而其復雜性大大降低了。

機電一體化架構師科根

“盡管輪子在平坦的地面上效率很高，但是利用腿幾乎可以走到任何地方。通過將輪子和腿結合在一起，漢德爾可以兼具兩個方面的優勢。”科根以樂觀的態度描繪了這款機器人，并且他看到了其中的巨大潛力。

戰略智庫Thinque公司的常務董事、未來主義者安德斯·索曼-尼爾森（Anders S?rman-Nilsson）也認為：“機器人全面超越我們是一種趨勢，基于控制論的快速機器人是這一趨勢中的一部分。”

索曼-尼爾森說：“我們生活在這樣一個時代中——變革的速度從來沒有這么快過，而且將來還要快得多。我們生活在指數式快速變革的時代，而機器人是推動這方面發展的先進技術之一。無論是體力勞動還是腦力勞動，在實現自動化或機器人化的過程中，人類都將致力于價值創新，使速度更快，質量更好，價格更便宜。”

索曼-尼爾森對未來進行了預測：在戰爭中，機器人被當作武器；或者，它們也可能被部署在與職業健康和安全相關的創新空間中，如未來工廠和數字采礦等。

盡管人類還處于線性發展的曲線上，但是機器人正在遵循著呈指數級發展的趨勢。索曼-尼爾森說：“這意味著，在不久的將來，機器人將會超過慢如烏龜的我們。”看起來，將來各種各樣的機器人將具備充分的運動能力，我們自身將成為急需提高速度的蝸牛！