如何讓機器人在火星上行走？

赤道

火星車需要足式機器人

來認識一下SpaceBok，這是一個四足小機器人，它，正準備向紅色星球“殘酷”的地形邁出第一步。

站在土壤中的SpaceBok機器人? 圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院

從1997年登錄火星的火星車到今年2月降落的毅力號，這顆紅色星球的機器人都有一個共同的特征：輪子驅動。滾動遠比步行更穩定、更節能，學習人類行走的能力即使是地球上的機器人也難以掌握，你難以想象昂貴的火星探險家像烏龜一樣翻倒之后的尷尬局面。

然而，輪子的問題在于它們限制了漫游者的去向：為了探索像陡峭山丘這樣復雜的火星地形，機器迫切需要進化為地球上的動物提供的那種腿。因此，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和德國馬克斯普朗克太陽系研究所的一組科學家一直在玩一種名為SpaceBok的小型四足機器人，旨在模仿一種被稱為跳羚的羚羊。

正如它的名字一樣，現實生活中的跳羚在非洲沙漠中蹦蹦跳跳，或許是為了迷惑捕食者。該機器人于2018年推出的最初概念實際上是讓它在月球表面跳躍，就像宇航員在月球引力較弱的情況下所做的那樣。這可能適用于我們的衛星，那里的地形相對平坦，但在火星上，考慮到復雜的地形——到處都是沙子、巖石和陡峭的斜坡，這可能太冒險了。所以現在研究人員正在修改它的四肢和步態，看看它是否能夠處理更殘酷的地形。

靜態步伐和動態步伐的實驗

在這些新實驗中，該團隊對SpaceBok進行了編程，使其步態更加傳統、彈性更小。具體來說，研究人員想比較兩種步態：一種是“靜態”步態，在任何給定時間內至少有三只肢體與地面接觸;另一種是“動態”步態，其中不止一個肢體可以離開地面。前者更有條理，但后者效率更高，因為它可以讓機器人移動得更快。

?機器人平面腳底板設計成了扁平的旋轉圓盤

研究人員還為SpaceBok配備了兩種支腳：點支腳和平面支腳。尖足的表面積很小，有點像真正的跳羚的蹄子。相比之下，平面腳實際上是扁平的旋轉圓盤，當腳與地面接觸時會彎曲成一個角度。說真的，它們就像帶防滑釘的雪鞋，布滿了幫助腳抓地的凸起物。

研究人員為了定制機器人的不同步態和步伐配置，把它放在一個巨大的傾斜沙箱中，沙箱里裝滿了與火星上發現的土壤相似的材料。配置允許機器人爬上25度平面，并通過監控機器人的能源使用情況，量化步態和腳的每種配置效率。

描述這項工作的資料預印本，已被發表在《FieldRoboLics））《野地機器人》雜志上，他們表明該機器可以靈巧而有效地爬上模擬的火星山丘而不會翻倒。該研究的主要作者、蘇黎世聯邦理工學院機器人專家亨德里克·科爾文巴赫說：“我們想證明，如今這些動態工作的系統實際上可以在火星沙灘上行走，這是一項未來具有很大潛力的技術。”

有趣的是，機器人使用扁平足和尖足都可以很好地爬上山坡。平面腳底的機器人可以停在沙子上，尖頭版本腳底的機器人會下沉，提供一種錨點固定機身。

“一個令人驚訝的發現是，尖腳在這個特定的斜坡上表現也不太差。”科爾文巴赫說。至少對于這種模擬的火星土壤來說是這樣。在實際的紅色星球上，沙子中可能隱藏著巖石——如果機器人路過，它可能會摔倒。埋藏的巖石是特別具有挑戰性的障礙物，因為機器人無法用相機檢測到它們。

研究人員可以為SpaceBok配備攝像頭進行自主導航，但在實驗中，它是盲目行走的。在布滿沙子的巖石地形的情況下，具有尖腳的機器人更有可能撞到隱藏的石頭。研究小組發現，扁平足使機器人行動變慢，但占的形狀使其更有可能安全地越過障礙物。

但是扁平足也有一些缺點。由于沙箱是有角度的，里面的材料滑動是另一個大挑戰。想一想當你爬上沙丘時，腳邊出現沙崩時會發生什么。如果沙子在你下方不斷移動，則需要更多的能量才能爬上那個斜坡——你既要與斜坡作斗爭，又要與流沙作斗爭，極度消耗體能。而對于SpaceBok來說，扁平足造成了更多的表面干擾，增加了滑移。

機器人嘗試用平面腳進行靜態步態實驗

所以，理想的設計可能介于兩種腳底板設計之間。科爾文巴赫說：“我認為與尖足相比，肯定需要增加表面積，因為在火星上真的需要避免沙地下沉事件，一旦陷在那里你可能再無法出去了。”未來，研究人員需要為SpaceBok改進，讓它可以實時修改其表面積以適應不同種類的土壤。

此外，四足機器人的步態也需要類似的靈活性，與使用更接近四足動物移動方式的動態運動相比，機器人在靜態時更安全，其中它始終保持至少三條腿在地面上。但當SpaceBok試圖爬上斜坡時，推動前進的腿會讓速度受限。科爾文巴赫說：“在動態運動中，至少有兩只腳推動機身，所以還需要一些能量來承擔機器人自身的重量，保持平衡顯得不那么容易。”

適應地形的“實體化”趨勢

未來的SpaceBok需要改變其步態以及腳的形狀。在平原上，它可以使用動態步態更快地移動并節省能量。當它試圖爬上特別崎嶇的山丘時，它可能會切換到靜態步態以更安全地行走，從而犧牲能量避免從斜坡上掉下來。

尋路策略也很重要。在這些實驗中，SpaceBok配備了一種算法，可以監控其能源使用情況，以自動確定最有效的路徑。這產生了一種“緊急”行為，其中機器人在爬升時選擇了“之”字形折返，而不是迎面沖上山，因為后面一種模式更耗電。

挪威機器人專家特恩斯·尼加德表示，機器人的硬件、軟件和周圍環境之問的這種密切相互作用是“實體化”機器人技術大趨勢的一部分。借助自身機器人技術，工程師們正在訓練機器適應困難的地形。理想情況下，在火星上行走的機器人具有類似的適應性，特別是因為它需要高度的自主權，這要歸功于地球的通信延遲。

不受輪子限制的機器人的前景令研究人員感到興奮，他們對調查沙地或陡峭地形有著濃厚的興趣。“我們經常對這些區域感興趣，尤其是隕石坑，那里曾經有過古老的湖泊。”美國國家航空航天博物館的行星科學家瑪麗·亞貝克說，她曾在洞察號著陸器以及好奇號和毅力號上工作過，“那些星球是曾經有流水的地方，很可能有過生命。隨著我們建立新的穿越和探索方式，可能使用這些新型機器人，打開我們以前無法探索的地球部分。”

帶有尖腳底部的動態步態

那么，SpaceBok的升級版可能會加入多樣化的科學機器人大軍，去尋找火星生命。“足式機器人可能無法取代太空中的輪式機器人。”尼加德說，“但它們絕對可以帶來寶貴的貢獻，并在團隊中發揮重要作用。”