競速：機(jī)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(jī)器人吧！

你可能將機(jī)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(jī)器人即將大踏步前進(jìn)起來。你只需問一問哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)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(dòng)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(jī)器人也將效仿這些動(dòng)物了?！?/p>

利普森是正確的，新一代快速機(jī)器人有望最終超越在2020年東京奧運(yùn)會(huì)上參加賽跑的運(yùn)動(dòng)員?；诳刂普?、具有競爭力的著名機(jī)器人包括：麻省理工學(xué)院（MIT）占主導(dǎo)地位的“獵豹”（Cheetah）、波士頓動(dòng)力公司的“佩特曼”（Petman）和“漢德爾”（Handle）、密歇根機(jī)器人公司的“梅布爾”（Mable）以及南非開普敦大學(xué)的“巴萊卡”（Baleka）。

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

PER的核心是一個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)以橢圓形運(yùn)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)其腿部，這有助于使它具備穩(wěn)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(dòng)力，使其更加穩(wěn)定。PER的動(dòng)態(tài)圖形完美，不受任何數(shù)字運(yùn)算處理器的影響。在跑步機(jī)上，這臺(tái)步態(tài)流暢的跑步機(jī)器人每小時(shí)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(shí)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(shí)的速度。

EPFL生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室制造的蜥蜴機(jī)器人

《國家地理》（National Geographic）雜志報(bào)道說：IHMC的機(jī)器人先驅(qū)“希克斯跑步者”（HexRunner）創(chuàng)下了32.2英里/小時(shí)的世界紀(jì)錄，超越了先前由MIT四足先驅(qū)“獵豹”創(chuàng)下的28.3英里/小時(shí)的紀(jì)錄。貓科動(dòng)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(nèi)即可達(dá)到69.5英里的時(shí)速。

?？怂古懿秸咭暂喿訛榛A(chǔ)，外觀與MIT基于機(jī)械的獵豹完全不同，其高度接近6英尺。通過兩側(cè)輪子的旋轉(zhuǎn)，這款機(jī)器人會(huì)像風(fēng)滾草一樣滾動(dòng)，因此只要六只腳中有一只腳離開地面，就會(huì)有另外一只腳落地。

IHMC科學(xué)家杰里·普拉特（Jerry Pratt）表示，他的團(tuán)隊(duì)正在努力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速、優(yōu)雅地移動(dòng)。“大多數(shù)跑步和行走的機(jī)器人都裝有很多傳感器，每秒大約讀取傳感器數(shù)據(jù)1 000次，通過大量的計(jì)算來發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器應(yīng)該做什么。而且，我們必須為將能量轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器提供快速、合適的功率脈沖，否則機(jī)器人就會(huì)跌倒?！?/p>

相比之下，?？怂古懿秸咄ㄟ^機(jī)械原理運(yùn)行，主要依靠彈簧和連桿平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。普拉特說：“所有反饋機(jī)制都是依照自然規(guī)律產(chǎn)生的，因此當(dāng)你在遙控器上按下加速鍵時(shí)，無需進(jìn)行大量計(jì)算即可獲得充分的感應(yīng)，這樣可以加快電機(jī)速度，為電機(jī)提供更多動(dòng)力。僅僅基于動(dòng)力學(xué)和幾何學(xué)機(jī)制，機(jī)器人就具備了穩(wěn)定性。”

相比之下，跟希克斯跑步者同類的機(jī)器人“快跑者”（FastRunner）略微慢一點(diǎn)，時(shí)速27英里，擁有兩個(gè)分叉的腳。普拉特告訴《大眾機(jī)械》（Popular Mechanics）：“我們受到鴕鳥和其他快跑鳥類的啟發(fā)，它們跑起來非?？?，而且看似毫不費(fèi)力。”

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

普拉特說：“理解動(dòng)物可以使制造更高質(zhì)量的機(jī)器人變得更容易?！痹趯?shí)際應(yīng)用中，如執(zhí)行搜救任務(wù)，速度是關(guān)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(jī)器人，我們的認(rèn)識和開發(fā)技術(shù)將對制造中等速度的機(jī)器人非常有用，這樣的機(jī)器人會(huì)變得極為可靠、高效和安全?！?/p>

希克斯跑步者的最高速度能夠達(dá)到30英里/小時(shí)，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(jī)器人。然而，這款機(jī)器人看起來更像輪子而不像鳥。因此，即使它具有跑步機(jī)器人所有的主要功能，也并不是每個(gè)人都愿意將其稱為跑步機(jī)器人。

相比之下，兩足機(jī)器人PER更像傳統(tǒng)的機(jī)器人，顯然具有最大的潛力，因?yàn)楸M管只有2英尺高，但它有輕快的步速。普拉特相信，他的團(tuán)隊(duì)可以制造出一個(gè)長著長腿的機(jī)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(dòng)物，其速度可以達(dá)到45英里/小時(shí)。普拉特說：“然而，它很可能會(huì)在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)耗完電池。盡管我們的機(jī)器人可以相當(dāng)高效，但是仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到動(dòng)物那樣高效。在機(jī)械方面，運(yùn)行中的機(jī)器人會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)有限功率的阻礙，加速時(shí)空氣的阻力會(huì)變強(qiáng)，因此如何加強(qiáng)結(jié)構(gòu)也對機(jī)器人研發(fā)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

同時(shí)事實(shí)證明，MIT的獵豹能夠達(dá)到28.3英里/小時(shí)的速度，比傳奇人物尤塞恩·博爾特（Usain Bolt）創(chuàng)下的27.8英里/小時(shí)的陸地速度紀(jì)錄還要快。獵豹機(jī)器人仍然是速度的基準(zhǔn)。它通過強(qiáng)勁的遠(yuǎn)程電源供電，在室內(nèi)的跑步機(jī)上和無擾動(dòng)的理想條件下打破了這個(gè)紀(jì)錄。另一個(gè)內(nèi)在優(yōu)勢是，獵豹擁有類似于PER的高效設(shè)計(jì)。

在跑步機(jī)測試中，獵豹機(jī)器人大約相當(dāng)于實(shí)際獵豹的大小和重量，以5英里/小時(shí)的速度連續(xù)小跑一個(gè)半小時(shí)，這時(shí)消耗的能量很少。這款機(jī)器人大踏步高效前進(jìn)的關(guān)鍵是將輕巧的電動(dòng)機(jī)安裝在其肩部，這樣可以產(chǎn)生較高的扭矩，且不會(huì)浪費(fèi)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(wǎng)發(fā)表的帖子中指出：其中的難點(diǎn)在于將電池、傳動(dòng)裝置和電動(dòng)機(jī)混裝在一起。

MIT的獵豹機(jī)器人

與獵豹相似、更栩栩如生的“野貓”（WildCat）機(jī)器人，是MIT衍生公司——波士頓動(dòng)力公司的研究成果，由國防部“最大機(jī)動(dòng)性和操控主動(dòng)性計(jì)劃（M3）”資助。野貓的行進(jìn)速度相當(dāng)快：在平坦的地形上，在保持跟馬和狗一樣的奔騰狀態(tài)下，其速度可達(dá)20 英里/小時(shí)。為了保持牽引力和平衡，野貓會(huì)傾斜身體轉(zhuǎn)彎。

野貓的驅(qū)動(dòng)裝置是以甲醇為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)依靠壓力流體驅(qū)動(dòng)液壓致動(dòng)系統(tǒng)。它通過諸如“本體感覺”（對體位和運(yùn)動(dòng)的意識）和“視覺測距法”（對相機(jī)圖像的分析）之類的方法來掌握移動(dòng)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(wǎng)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(fā)動(dòng)機(jī)卻非常笨拙，因此實(shí)用性不高。”

波士頓動(dòng)力公司有競爭力的產(chǎn)品是一臺(tái)軍事設(shè)備——佩特曼，該設(shè)備打破了以控制論為基礎(chǔ)的速跑模式，將人體形狀用于測試化學(xué)防護(hù)服。此外，在大型火災(zāi)等危險(xiǎn)情況下，佩特曼有望進(jìn)行熟練的搜救行動(dòng)。

軍事計(jì)劃中心陸軍技術(shù)公司稱，佩特曼步行的最高速度為4.4英里/小時(shí)，似乎沒有給人留下多少印象，但是它行動(dòng)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(gòu)的T-800終結(jié)者一般。

密歇根大學(xué)腿部運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室制造的梅布爾敏捷且具有真人的特點(diǎn)，因在2011年被冠以最快的有膝雙足機(jī)器人而聞名，現(xiàn)在已經(jīng)不再參加競速比賽。梅布爾的特點(diǎn)在于其敏捷性，且具有“旅行反應(yīng)能力”，可以以6.8 英里/小時(shí)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(nèi)的一條小徑上昂首闊步、趾高氣揚(yáng)地走過。你會(huì)注意到，它腿部的彈跳運(yùn)動(dòng)跟人類奔跑時(shí)非常相似——兩者都有大約40%的時(shí)間是騰飛在空中的。”梅布爾現(xiàn)已退休，在芝加哥菲爾德博物館接受展覽，為主題為“跨越時(shí)間的發(fā)現(xiàn)之旅”生物力學(xué)展覽增添了魅力。

全球首款商業(yè)公開發(fā)布的有腿跑步機(jī)器人是大眾籌集資金研制的“優(yōu)勝跑步者”（OutRunner），盡管這款機(jī)器人已進(jìn)入內(nèi)部測試階段且大有前途，但它從未離開過實(shí)驗(yàn)樓。優(yōu)勝跑步者被Gizmodo網(wǎng)描述為“跑得飛快”，它呈星形，擁有兩條腿。

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

開普敦大學(xué)的帕特爾、卡倫·費(fèi)舍爾（Callen Fisher）和布洛姆以及非洲的第一臺(tái)兩足機(jī)器人巴萊卡

據(jù)說，優(yōu)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(dá)20英里/小時(shí)的速度跑步。宣傳稿上說：“優(yōu)勝跑步者的重心低于腿部旋轉(zhuǎn)軸，利用浮力作用，使其產(chǎn)生了更高的穩(wěn)定性，并且無需昂貴的傳感器和復(fù)雜的控制算法?！辈贿^，優(yōu)勝跑步者還未能激發(fā)足夠的熱情。它在Kickstarter網(wǎng)發(fā)起的籌集資金活動(dòng)僅僅籌集了62 271美元，不到目標(biāo)15萬美元的一半。

目前在運(yùn)動(dòng)控制論領(lǐng)域，最激動(dòng)人心的新秀可能就是開普敦大學(xué)研制的新型兩足機(jī)器人 “巴萊卡”，這個(gè)名字在祖魯語中意為“沖刺”。

2019年4月，巴萊卡的研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人阿米爾·帕特爾（Amir Patel）告訴記者：“在機(jī)器人技術(shù)方面，科學(xué)家正在做很多事情，但其中很多工作都集中在穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)或恒速運(yùn)動(dòng)上?！?/p>

巴萊卡是由碩士研究生亞歷山大·布洛姆（Alexander Blom）設(shè)計(jì)的。通過編寫帶有明確參數(shù)的一次性加速和停止算法，布洛姆成功地確定了合適的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。他告訴《開普商業(yè)新聞報(bào)》的記者說：“通過測試加速和減速運(yùn)動(dòng)，嘗試不同的腿長和傳動(dòng)比，可以確定我們需要制造什么樣的機(jī)器人?！?/p>

接下來，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了巴萊卡的操作系統(tǒng)、傳感器、電子器件，甚至還設(shè)計(jì)了一個(gè)切斷開關(guān)。如果出現(xiàn)任何問題，能夠立即將其關(guān)閉。

帕特爾告訴《大眾機(jī)械》的記者，巴萊卡的設(shè)計(jì)旨在能夠極快加速。因此，基于超高效、高扭矩扭轉(zhuǎn)力的無刷直流電動(dòng)機(jī)和高頻軟件控制器，這款機(jī)器人能夠產(chǎn)生高能爆發(fā)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(gè)原因。首先，帕特爾及其團(tuán)隊(duì)希望機(jī)器人更加自主化，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，機(jī)器人本身能夠?qū)ν蝗坏淖兓ㄈ缁e(cuò)位等）迅速做出反應(yīng)。第二個(gè)原因是他們構(gòu)建了一個(gè)利用新型傳感系統(tǒng)測試高速算法的出色平臺(tái)。例如，他的團(tuán)隊(duì)為巴萊卡設(shè)計(jì)的算法可直接轉(zhuǎn)移應(yīng)用到其他系統(tǒng)，如飛機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車等。

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

從帕特爾的觀點(diǎn)來看，運(yùn)行起來的機(jī)器人已經(jīng)將人甩在后面。當(dāng)然，目前這些機(jī)器人特別擅長在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)行！在外面的真實(shí)環(huán)境中運(yùn)行起來就相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性了，因?yàn)槌３?huì)發(fā)生故障和失誤。

其中，最大的挑戰(zhàn)是認(rèn)知。帕特爾說：“目前，我們的大腦可以輕松地根據(jù)環(huán)境的變化做出調(diào)整。要想使機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，它們的反應(yīng)需要大幅度加快，它們需要學(xué)習(xí)。”技術(shù)專家鮑里斯·科根（Boris Kogan）是阿斯麥公司的機(jī)電一體化架構(gòu)師，他同意帕特爾關(guān)于機(jī)器人研發(fā)障礙的觀點(diǎn)。

科根說：“步行機(jī)器人，不管是兩足的還是四足的，仍然是一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域。盡管步行和奔跑對于動(dòng)物來說很簡單，但是我們?nèi)匀豢床坏綑C(jī)器人在自然的環(huán)境中工作得很好?！彼难芯繉㈦娮訉W(xué)與機(jī)械工程學(xué)結(jié)合在一起。

要想使機(jī)器人站起來，并確保它們在未知的干擾環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時(shí)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(jìn)行交互之外，正在運(yùn)行的機(jī)器人還必須要處理“任務(wù)本身”。科根說：“災(zāi)難預(yù)防和修復(fù)任務(wù)可能涉及打開門、轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿、越過物體以及操作那些人類制造的設(shè)備，如使用電鉆等。我們希望機(jī)器人運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域進(jìn)一步成熟，并制造出超越人類能力的下一代機(jī)器。我們抱有高期望值的另一個(gè)原因是像飛機(jī)等其他成熟的機(jī)器，通過飛行進(jìn)入平流層，從而超越了我們的身體限制?！?/p>

機(jī)器人改進(jìn)的前景是良好的?？聘f：“已經(jīng)有許多比我們更加強(qiáng)大的機(jī)器人了。通過一種新的橡膠狀人造肌肉，機(jī)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(nèi)的適應(yīng)性智能材料可能會(huì)進(jìn)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?qū)⑷魏螜C(jī)器推動(dòng)到難以想象的速度。”在需要快速響應(yīng)來避免災(zāi)難的情況下，快速機(jī)器人行動(dòng)起來將比人類更快捷，效果更好。在將來，機(jī)器人能夠達(dá)到的速度可能是令人吃驚的。

跟普拉特一樣，科根也認(rèn)為最快的機(jī)器人可能是一種混合結(jié)構(gòu)。他引用了一個(gè)鼓舞人心的混合結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，即波士頓動(dòng)力公司的漢德爾機(jī)器人，它可以通過輪子平穩(wěn)快速地移動(dòng)，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(jī)器人被《連線》雜志稱為“賽格威平衡車”，站起來時(shí)身高為6.5英尺。這款平衡車通過微調(diào)控制算法保持直立，利用側(cè)面的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置可以堆放箱子，運(yùn)行速度為9英里/小時(shí)，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(jī)器人時(shí)所利用的動(dòng)力學(xué)、平衡和移動(dòng)操縱原理，但是它只有大約10個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，因而其復(fù)雜性大大降低了。

機(jī)電一體化架構(gòu)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(jié)合在一起，漢德爾可以兼具兩個(gè)方面的優(yōu)勢。”科根以樂觀的態(tài)度描繪了這款機(jī)器人，并且他看到了其中的巨大潛力。

戰(zhàn)略智庫Thinque公司的常務(wù)董事、未來主義者安德斯·索曼-尼爾森（Anders S?rman-Nilsson）也認(rèn)為：“機(jī)器人全面超越我們是一種趨勢，基于控制論的快速機(jī)器人是這一趨勢中的一部分?！?/p>

索曼-尼爾森說：“我們生活在這樣一個(gè)時(shí)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(shù)式快速變革的時(shí)代，而機(jī)器人是推動(dòng)這方面發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)之一。無論是體力勞動(dòng)還是腦力勞動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或機(jī)器人化的過程中，人類都將致力于價(jià)值創(chuàng)新，使速度更快，質(zhì)量更好，價(jià)格更便宜?！?/p>

索曼-尼爾森對未來進(jìn)行了預(yù)測：在戰(zhàn)爭中，機(jī)器人被當(dāng)作武器；或者，它們也可能被部署在與職業(yè)健康和安全相關(guān)的創(chuàng)新空間中，如未來工廠和數(shù)字采礦等。

盡管人類還處于線性發(fā)展的曲線上，但是機(jī)器人正在遵循著呈指數(shù)級發(fā)展的趨勢。索曼-尼爾森說：“這意味著，在不久的將來，機(jī)器人將會(huì)超過慢如烏龜?shù)奈覀??！笨雌饋?，將來各種各樣的機(jī)器人將具備充分的運(yùn)動(dòng)能力，我們自身將成為急需提高速度的蝸牛！