種八喜：給機器人“加腿”

劉如楠

種八喜很難說清靈感是什么時候爆發的，也許是在觀察蜈蚣時，也許是在和妻子散步時，又或者是在洗澡時。

傳感器對機器人來說至關重要，它賦予了機器人視、力、觸、嗅、味等感知能力。美國佐治亞理工學院物理學院博士后種八喜提出了一個大膽的想法：“去掉這些傳感器，給機器人增加足夠多的腿，是不是也能使其穩步前進？”

在這項研究中，種八喜等人通過數學、物理建模，提出了一個“物質運輸”理論框架：給機器人增加腿腳，即空間冗余，可以提高它在復雜環境中穩健移動的能力。這種空間冗余使機器人無須傳感器也能移動。

機器人通常有2條或4條腿，借助遍布全身的視覺、觸覺等傳感器和計算系統，實現對周圍環境的感知和運動。多年來，依靠這樣的路徑，大家研發出適用于各種場景的機器人。在人工智能技術的推動下，這一領域越發火熱，很快聚集了大批追隨者。

長久的觀察，引發種八喜和同學不斷思考：這些動物有的4條腿，有的8條腿，有的幾十條腿，還有的沒有腿，它們都能行動自如。機器人是不是也可以像它們那樣，擁有8條腿甚至幾十條腿呢？

經過幾年的實踐和積累，研究團隊開發出擁有多條腿的“蜈蚣機器人”。“每多一條腿，都涉及與身體其他部位的配合協調問題，都要重新建立數學模型，計算量更是呈指數級增長?！狈N八喜說。

而比工作量增加更關鍵的問題是：多了這么多條腿有什么用？在4條腿夠用的情況下，為何要使其變得更復雜？

種八喜思維活躍，腦子里總會不斷冒出新想法。而當缺乏靈感時，他常常會回歸觀察。

在不斷的觀察和思考中，他靈機一動——蜈蚣機器人有這么多條腿，是否不再需要傳感器？不必精確計算前方障礙物的大小和距離？

這天，導師給種八喜推薦了一本《信息論概述》。回到家，他驚喜地發現，這本書就躺在妻子的書架上。種八喜的妻子是生物醫學工程學博士，對信息論頗有研究。

受此啟發，種八喜等人將機器人的身體看作被傳輸的“信息”，通過數學、物理建模，提出了一個“物質運輸”理論框架：給機器人增加腿腳，即空間冗余，可以提高它在復雜環境中穩健移動的能力。這種空間冗余使機器人無須傳感器也能移動。

“就算有一條腿踏空，其余的腿也能幫助它移動前行。像是拔河比賽時，一兩個人突然絆倒并不會改變整體的移動方向?！狈N八喜解釋說。

目前，學界和業界對于機器人移動的研究大多圍繞傳感器展開，利用視覺、力覺、聽覺、接近覺、超聲波等各類傳感器，使機器人能夠完成復雜工作。環境越多變、工作越復雜，對傳感器的精度要求就越高。

為了驗證蜈蚣機器人的運動性能，研究團隊建造起復雜地形模型，通過不斷增加腿的數量進行測試，最終從6條增加到16條。他們發現，當腿數達到12條時，機器人便可平穩通過地形模型。

隨后，他們把機器人帶到草叢和石堆中，在真實環境中再次測試，它依然表現出色。

面對這個能穿越狹小空間的蜈蚣機器人，種八喜總會想起2008年汶川地震時的場景。當時的他正在重慶讀初二，地震發生后有許多人被困，當時的慘狀讓他印象深刻。“當時我就在想，有什么辦法能夠幫助他們？”種八喜說。

這像一粒種子埋進了他的心里，15年后，這顆種子開了花。

舍棄了昂貴的傳感器，蜈蚣機器人的成本大幅降低，僅需1000美元。目前，這一機器人已被應用到導師及合伙人開設的農業公司，將用于那些無法使用除草劑的農田的除草工作。

“我們正在對蜈蚣機器人進行優化，希望能根據實際需要確定其最佳腿數，在復雜系統中尋求能量、速度、功率、穩定性之間的平衡，以便更加經濟高效?！狈N八喜說，“相信未來它能夠用于復雜地形的救援工作?！?/p>