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【編者按】本文作者@沐陽(yáng)浸月，中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生，主攻水下機(jī)器人。
說(shuō)起機(jī)器人，可能由于受名詞中“人”字的影響，大部分人腦海里出現(xiàn)的可能要么是憨態(tài)可掬、動(dòng)作靈活的小NAO機(jī)器人，要么是彬彬有禮、動(dòng)作規(guī)范的ASIMO機(jī)器人，亦或是電影《人工智能》里有著和人一模一樣的外表的大衛(wèi)。其實(shí)，這些機(jī)器人都屬于仿人機(jī)器人，這些機(jī)器人是模仿人的形態(tài)和行為而被設(shè)計(jì)與制造出來(lái)的，一般分別或同時(shí)具有仿人的四肢和頭部。
然而，除了仿人機(jī)器人，仿生機(jī)器人中有很大一部分是仿照我們?nèi)祟惖呐笥选切┳匀唤绲纳飩儯ㄟ^(guò)它們帶給我們的靈感而制造出來(lái)的機(jī)器人，接下來(lái)我就向大家介紹一下我們那些另類的機(jī)器朋友們，一些世界上先進(jìn)仿生機(jī)器人，這篇將重點(diǎn)介紹陸路仿生機(jī)器人。
大狗機(jī)器人是由波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司（Boston Dynamics）專門為美國(guó)軍隊(duì)研究設(shè)計(jì)，目前來(lái)看，這部機(jī)器人可以的算是四足機(jī)器人中最具有代表性的一種防生器人了。大狗具有良好的負(fù)重能力，平穩(wěn)性和魯棒性極好，可以幫助人類承擔(dān)運(yùn)送彈藥和物資等的任務(wù)，由于可以跑得比人類還快，而且具有鋼鐵之軀，所以可以作為良好的戰(zhàn)斗前鋒隊(duì)，并且其身上裝有視覺(jué)以及定位系統(tǒng)，可以很好的完成跟隨等任務(wù)。美軍正在將阿富汗作為測(cè)試大狗試驗(yàn)場(chǎng)。
通過(guò)對(duì)大狗在雪地、泥地以及巖石瑣屑等惡劣地質(zhì)條件下的測(cè)試得到， 大狗可以跳躍至1.1米的高度，攜帶154千克的重物，并且可以完成路程10千米，時(shí)長(zhǎng)約2.5小時(shí)的長(zhǎng)途跋涉。
其實(shí)，波士頓動(dòng)力還推出里一款小狗機(jī)器人(LittleDog)，這款機(jī)器人主要是用于一些基礎(chǔ)研究，例如對(duì)電機(jī)的學(xué)習(xí)，對(duì)動(dòng)力的控制，對(duì)環(huán)境的感知，以及輪胎式運(yùn)動(dòng)(其腳部采用輪式)。小狗身體內(nèi)的主機(jī)可以通過(guò)傳感器采集到關(guān)節(jié)角，電機(jī)電流，身體朝向，以及腳掌與地面的應(yīng)力。其已經(jīng)在麻省理工，斯坦福，卡內(nèi)基梅隆，南加州等大學(xué)作為DARPA資助下的的一項(xiàng)研究被廣泛利用。
獵豹機(jī)器人做的比較好的機(jī)構(gòu)主要有兩家，一個(gè)是波士頓動(dòng)力，一個(gè)是麻省理工學(xué)院。
波士頓動(dòng)力的獵豹機(jī)器人通過(guò)背后的鉸鏈關(guān)節(jié)的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)和步頻來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人速度的改變，這里的靈感也正是來(lái)自以模仿真實(shí)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性。目前波士頓動(dòng)力的獵豹機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)跑步機(jī)上完成這各項(xiàng)試驗(yàn)。在跑步機(jī)上，Cheetah通過(guò)一臺(tái)液壓泵進(jìn)行動(dòng)力提供。下一代的獵豹機(jī)器人，又名WildCat（野貓），將會(huì)離開(kāi)繩索的牽絆，在陸地上真正的跑動(dòng)起來(lái)。目前波士頓動(dòng)力的獵豹機(jī)器人是世界上運(yùn)動(dòng)速度最快的腿式機(jī)器人，約為29邁，打破了MIT在1989年創(chuàng)下的13.1邁的歷史記錄。Cheetah目前受美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的最大限度移動(dòng)和操控項(xiàng)目（Maximum Mobility and Manipulation program）的資助。
MIT Cheetah通過(guò)研究真實(shí)生物的肌腱結(jié)構(gòu)，認(rèn)為肌腱結(jié)構(gòu)能夠減小沖擊力，增加了腿部的強(qiáng)度。通過(guò)有限元分析，研究人員設(shè)計(jì)了類似的肌腱結(jié)構(gòu)足部，并在兩個(gè)肌腱之間加入了彈簧以增加一定的柔順性。這就使得MIT Cheetah具有十分出色的彈跳及越障能力。而且通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)處驅(qū)動(dòng)電機(jī)的改裝以及尾巴的加入，使得MIT Cheetah擁有高速奔跑的能力和良好的平衡性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，其可以在8.3千米每小時(shí)的速度下奔跑2.23小時(shí)，或者運(yùn)用3千克的電池跑10千米。
（波士頓動(dòng)力的RiSE機(jī)器人）
壁虎由于其可以沿著垂直墻面進(jìn)行爬行的優(yōu)點(diǎn)和特性，也自然被拿來(lái)作為仿生的對(duì)象。做壁虎機(jī)器人的機(jī)構(gòu)比較多，目前比較成熟的是斯坦福大學(xué)的Stickybot三代以及波士頓動(dòng)力的RiSE。
Stickybot三代是在Stickybot平臺(tái)上發(fā)展起來(lái)的，它有四條腿，每條腿有四個(gè)自由度，其中包括了在垂直墻上進(jìn)行攀爬的主要部位——腕部。
壁虎機(jī)器人能吸附在墻上的主要原理是，在每個(gè)吸力手上，都有數(shù)百萬(wàn)根由人造橡膠制造的毛發(fā)，每根細(xì)毛的直徑大約只有500個(gè)納米左右，長(zhǎng)度則只有不到2微米，毛發(fā)和垂直表面分子們之間會(huì)產(chǎn)生分子弱電磁引力，也叫“范德瓦爾斯力”。這個(gè)力可以使壁虎機(jī)器人吸附到垂直面上。
Stickybot III體長(zhǎng)36厘米，速度5厘米每秒；RiSE體長(zhǎng)25厘米，速度30厘米每秒。壁虎機(jī)器人由于其可以吸附在墻上行走的特性，可以代替人類來(lái)執(zhí)行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務(wù)。
袋鼠機(jī)器人由仿生機(jī)器人領(lǐng)域的又一重量級(jí)公司FESTO研發(fā)而成。
袋鼠機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)為氣動(dòng)，主控板是電源供電，它腿部的 “肌腱”，是一種壓縮空氣貯存器，可以幫助它精確平穩(wěn)地奔跑或著地。在觸地爪部?jī)?nèi)層的壓縮空氣推力作用下，實(shí)現(xiàn)向上向前地跳躍動(dòng)作。腿向后蹬，袋鼠機(jī)器人就能夠前進(jìn)。而在空中的時(shí)候，其又會(huì)收回到前方。這款機(jī)器人每完成一次跳躍動(dòng)作，其爪部便會(huì)儲(chǔ)存空氣能量以繼續(xù)下一次的跳躍動(dòng)作。為了支持這系列動(dòng)作的持續(xù)，研發(fā)人員在袋鼠機(jī)器人兩只觸地的支撐腳上安裝了固定的彈簧裝置，以此來(lái)模仿真實(shí)袋鼠動(dòng)物腳上的兩根蹄筋，為一次又一次的跳躍動(dòng)作起到緩和作用。
這款機(jī)器人身高超過(guò)1米，體重約合7千克，其每次實(shí)現(xiàn)的跳躍動(dòng)作大致在40厘米高、80厘米長(zhǎng)的范圍內(nèi)。
螞蟻機(jī)器人同樣是FESTO公司研發(fā)而成。
整款機(jī)器人不僅是對(duì)真是螞蟻單獨(dú)的仿生，另一個(gè)重大的突破和創(chuàng)新是螞蟻機(jī)器人運(yùn)用了復(fù)雜的控制算法對(duì)蟻群的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的模擬。
螞蟻機(jī)器人讓我們看到了在不同的情況下，單個(gè)的螞蟻機(jī)器人如何獨(dú)立地作出反應(yīng)，相互配合并作為一個(gè)整體的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過(guò)一起推與拉，螞蟻機(jī)器人將移動(dòng)的對(duì)象穿過(guò)指定區(qū)域。由于對(duì)工作的智能劃分，才使得負(fù)載得到了有效的運(yùn)輸，而對(duì)單個(gè)的機(jī)器螞蟻來(lái)說(shuō)這是個(gè)根本不能完成的任務(wù)。
然而，螞蟻機(jī)器人不僅具有驚人的合作行為，而且它們的生產(chǎn)方式也是非常獨(dú)特的。
首先，對(duì)部件進(jìn)行激光燒結(jié)，隨后點(diǎn)綴可見(jiàn)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即所謂的3D MID過(guò)程。電路是附著在機(jī)構(gòu)表面上的，所以需要同時(shí)滿足設(shè)計(jì)和電氣功能上的需求。以這種方式，所有的技術(shù)組件可以安裝在螞蟻的身體里或者表面，并進(jìn)行精確地相互配合。投產(chǎn)后運(yùn)行，不再需要外部控制系統(tǒng)。但是我們同樣可以通過(guò)無(wú)線的方式對(duì)螞蟻機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和干預(yù)。
螳螂機(jī)器人是一種外形類似螳螂的步行機(jī)器人，其是由英國(guó)漢普郡工程師丹頓（Matt Denton）于2012年3月制造完成的。此螳螂機(jī)器人有六條腿，高2.8米、寬5米，1.9噸重，最高速度達(dá)到1千米每小時(shí)。截至目前，它還是世界上最大的全地形六足機(jī)器人。
機(jī)器螳螂由一臺(tái)2.2公升的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，站起來(lái)有2.8米高。其可以由人駕駛，也可以選擇使用無(wú)線技術(shù)遠(yuǎn)程遙控它，其運(yùn)動(dòng)能夠適應(yīng)各種地形。螳螂機(jī)器人使用的液壓技術(shù)，閥門、管道以及各種配件，全部在計(jì)算機(jī)的控制之下，其每分鐘就要使用150升的液體。
由 Disney Research 聯(lián)同蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院學(xué)生所開(kāi)發(fā)的這款仿海龜機(jī)器人名為BeachBot。BeachBot長(zhǎng)不到2英尺，寬和高不足15英寸，目前主要用于沙灘作畫，7個(gè)電機(jī)可以幫助BeachBot把耙子部署到位，描出寬度從2英寸到15英寸不等的藝術(shù)畫筆效果，球形狀的氣球輪子讓機(jī)器人遍歷所有類型的沙灘而不留痕跡，以免毀壞沙畫。
軟體機(jī)器人是一種新型柔韌機(jī)器人，可以僅用空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)?？茖W(xué)家最新研究的軟體機(jī)器人是采用紙質(zhì)和硅橡膠制成，能夠彎曲、扭轉(zhuǎn)和抓起自身重量100多倍的物體。軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感是模仿人類的內(nèi)部構(gòu)造或昆蟲(chóng)的外形架構(gòu)等，尤其是后者。
例如麻省理工大學(xué)研究出了蚯蚓機(jī)器人，蚯蚓通過(guò)反復(fù)的伸縮拉伸肌肉在地上爬行，每伸縮一下就向前挪一步；蝸牛和海參也利用這種被稱為“蠕動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)原理來(lái)活動(dòng)，而我們的胃腸道也做著相同的動(dòng)作，通過(guò)肌肉的伸縮，沿著食道把食物送入胃里。它通過(guò)身體各部位的伸縮，在地面上爬行，看起來(lái)非常像蚯蚓。這臺(tái)幾乎完全由柔軟材料制成的機(jī)器人非常富有彈性，即便用錘子狠狠砸它，它也能毫發(fā)無(wú)損的全身而退。研究人員將它起名為Meshworm(網(wǎng)眼蟲(chóng))。
又如美國(guó)塔夫斯大學(xué)開(kāi)發(fā)、已經(jīng)獲得美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署資助的330萬(wàn)美元的研究經(jīng)費(fèi)的毛毛蟲(chóng)機(jī)器人。這款機(jī)器人用了兩個(gè)月時(shí)間建造完成，長(zhǎng)12.7厘米，通過(guò)抽吸空氣進(jìn)入肢體，可獨(dú)立地控制它的四肢運(yùn)動(dòng)，通過(guò)手動(dòng)或者計(jì)算機(jī)控制，該機(jī)器人具備爬行和滑動(dòng)等動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種柔體機(jī)器人能夠靈活自如地往返15次穿梭于這一間隙。多數(shù)情況下，柔體機(jī)器人往返一次不足1分鐘。它能夠非常頑強(qiáng)地適應(yīng)各種環(huán)境，它能夠穿越各種材料表面，例如：氈布、碎礫、泥濘，甚至是果凍。
在TED美國(guó)國(guó)家航空和航天局NASA會(huì)議上，弗吉尼亞理工大學(xué)的“機(jī)器人技術(shù)與機(jī)械實(shí)驗(yàn)室（RoMeLa）”主任Dennis Hong，介紹了他的團(tuán)隊(duì)在RoMeLa所制造的七種獲過(guò)獎(jiǎng)的全地形機(jī)器人，其中不乏一些出色的仿生機(jī)器人。
STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot)是一種三條腿的機(jī)器人，利用動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，靈感來(lái)源于威爾斯小說(shuō)《世界大戰(zhàn)》里的一種三腿生物。
MARS (Multi-Appendage Robotic System)是一種具有六只腿的機(jī)器人，采用自適應(yīng)的控制算法可以在沙地等惡劣環(huán)境下進(jìn)行行走，并馱載一定的負(fù)荷。
IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System)采用的是輪式腿，是一種帶有驅(qū)動(dòng)輻條系統(tǒng)的移動(dòng)平臺(tái)，這種足部特性使其具有出色的越障能力。
HyDRAS則主要利用模仿蛇的身體扭轉(zhuǎn)完成爬樹(shù)的高難運(yùn)動(dòng)
10、總結(jié)
無(wú)論是大狗機(jī)器人、獵豹機(jī)器人還是海龜機(jī)器人，都是我們通過(guò)對(duì)自然界的天才們進(jìn)行觀察和研究后，利用他們經(jīng)過(guò)數(shù)百年進(jìn)化后得到的出色的外形特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)特性而設(shè)計(jì)出的仿生機(jī)器人。這些機(jī)器人很多都可以用來(lái)充當(dāng)我們?nèi)祟愔郑ㄟ^(guò)它們來(lái)完成我們?nèi)祟惒荒芡瓿傻囊恍┤蝿?wù)。
在這一篇中我主要介紹陸地機(jī)器人，在下一篇中，我將會(huì)重點(diǎn)介紹水下和空中的仿生機(jī)器人。各位可等待我九月下旬推出的，關(guān)于”那些出色的機(jī)器間諜們——世界先進(jìn)仿生機(jī)器人(下)水空“。
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