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上圖這個(gè)機(jī)器人可不簡單，它是世界紀(jì)錄的保持者，目前最新的紀(jì)錄是連續(xù)步行27小時(shí)，總長72公里（相當(dāng)于十萬步還要多）。而最最關(guān)鍵的是，它完全憑借自己完美的機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒有任何動力源。對！沒有電機(jī)、沒有電源，給它一個(gè)初始動力就在那干走27個(gè)小時(shí)。它的發(fā)明者是日本名古屋工業(yè)大學(xué)佐野明人教授。
這是證書
這很不可思議，然而這件不可思議的事情背后肯定有支撐它的理論。它依賴的是仿生學(xué)和生物動力學(xué)，而在現(xiàn)有250多個(gè)靈長類物種中，只有一個(gè)物種是用兩條腿走來走去的——那就是我們?nèi)祟?。至?0%的人會認(rèn)為，我們行走靠的是肌肉，然而科學(xué)研究卻證明不僅僅是這樣。就像開頭的機(jī)器人它基于的“被動行走”理論闡述的是人雙足行走不僅僅需要肌肉的主動拉伸，同時(shí)更需要大自然的重力去配合著完成。
忽略旁邊搶鏡的日本老頭，是不是很像人類偷懶時(shí)的行走方式？
什么是被動行走理論？我們先來揭秘一下自己的雙腿
關(guān)于人類祖先為什么要放棄四肢著地，而選擇直立行走的理論可謂是五花八門，至今也沒有定論。有人說是為了解放雙手進(jìn)行勞作，有人說是為了摘到以前夠不到的果子，甚至有人說是為了在微風(fēng)中更好的散熱。似乎都有些道理，但有一種解釋——可以節(jié)約能源，是有科學(xué)依據(jù)的。三位美國科學(xué)家（加州大學(xué)戴維斯分校的邁克爾·索科爾、亞利桑那大學(xué)的戴維·賴希倫和華盛頓大學(xué)的赫爾曼·龐澤爾），對比黑猩猩與人類行走所消耗的能量做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果發(fā)表在了美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上：人類之所以最終進(jìn)化成為兩條腿走路的動物，主要是因?yàn)檫@種行走方式最為節(jié)省能量。
通過對5只黑猩猩和4個(gè)成年人在跑步機(jī)上運(yùn)動時(shí)耗氧量的比較，他們發(fā)現(xiàn)，人類直立行走所需要的能量是黑猩猩四肢行走耗能的四分之一。科學(xué)家說，這些定量的數(shù)據(jù)說明直立行走比四肢行走更節(jié)省能量。有趣的是，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，同一群體的不同個(gè)體之間也存在很大差異，起初黑猩猩兩腿直立行走和四肢著地行走時(shí)所耗費(fèi)的能量幾乎沒有差別，但是，長期進(jìn)行直立行走訓(xùn)練的黑猩猩，會比短期訓(xùn)練的黑猩猩更節(jié)省能量。所以，直立行走需要技巧，人也是一樣，有些人看似走著，但他并不會“走路”！
索科爾說，“人類學(xué)會直立行走時(shí)東非地區(qū)的降水越來越少，原本茂盛得密不透風(fēng)的森林變得越來越稀疏空曠，食物來源也變得越來越分散。我們的祖先不得不走更遠(yuǎn)的路來獲取足夠的食物。假如用兩條腿走遠(yuǎn)路能省點(diǎn)力氣，那么，誰長途跋涉更不費(fèi)勁，誰就占便宜。”“如果四處采集食物時(shí)能節(jié)省些能量，那份能量就可以用來發(fā)育和繁殖?！辟囅愓f：“人類的祖先一旦發(fā)現(xiàn)了直立行走的好處，他們便會慢慢適應(yīng)這種新的行走方式，這就是自然選擇的作用。”達(dá)爾文的“物競天擇，適者生存”放之四海而皆準(zhǔn)。
我們的祖先經(jīng)過許多世代更迭、漫長歲月洗禮而形成的這些改變，看來的確沒有白費(fèi)功夫，事實(shí)證明相當(dāng)實(shí)用。哈佛大學(xué)人類學(xué)系的丹·利伯曼通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直立行走可以說是有關(guān)平衡、協(xié)調(diào)、效率的壯舉。他發(fā)現(xiàn)，在行走過程中，雙腿的作用就像顛倒的擺鐘——以一條支撐腿為支點(diǎn)，身體在其上做弧線擺動。這使得身體每邁出一步所消耗的大部分能量得以儲存，減少了一半以上的能量消耗。
我們小時(shí)候認(rèn)為最神奇的玩具之一
被動動力學(xué)理論創(chuàng)立與成熟
生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類直立行走的大奧秘，動力學(xué)家們就閑不住了。1990年，加拿人學(xué)者T.McGeer提出了被動動力學(xué)理論，并由此有了“機(jī)器人被動行走”的概念。用完全的被動動力學(xué)法，機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)無須驅(qū)動，只依靠機(jī)器人和環(huán)境二者之間交互的動力學(xué)特性就可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)步行，所以稱作被動步行。因?yàn)闆]有能量輸入，為了克服摩擦和腳觸地時(shí)的能量損失，通常在斜坡上下行時(shí)實(shí)現(xiàn)自發(fā)步行，此時(shí)重力補(bǔ)償了能量損失。這種自發(fā)的穩(wěn)定步態(tài)完全是由機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的。下面是一個(gè)簡單的原理圖。
基于自己的理論，T.McGeer先后構(gòu)建了2D無關(guān)節(jié)的純被動機(jī)器人和有膝關(guān)節(jié)的雙足被機(jī)器人。自T.McGeer開創(chuàng)性工作之后，美國、歐洲和日本的大學(xué)就都開始在被動步態(tài)領(lǐng)域展開的深入的研究。其中比較出名的是康納爾大學(xué)的、麻省理工學(xué)院、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和前面提到的日本名古屋工業(yè)大學(xué)。一時(shí)間完全被動的和有驅(qū)動的不行機(jī)器人風(fēng)靡全球的科研院所。
本文開篇提到的那個(gè)超牛掰的機(jī)器人佐野明人教授花了十幾年時(shí)間于2009年研制成功的。而這種機(jī)器人有一個(gè)弊端，在沒有動力源的情況下，要求機(jī)器人行走的路面必須是一個(gè)斜坡，顯然這對于能應(yīng)用于我們生活中的機(jī)器人是不現(xiàn)實(shí)的。所以科學(xué)家的目的不在于此，他們的目的是什么？清華大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的教授在論文中這樣說：在充分分析機(jī)器人被動行走原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步加大機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，研究引入驅(qū)動的半被動步行機(jī)器人。最終利用所得的結(jié)論指導(dǎo)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、魯棒、高效的仿人雙足機(jī)器人。
所以，在此基礎(chǔ)上波士頓動力研發(fā)出了上圖這款叫ATRIAS的機(jī)器人。它在兩條腿上面的盒子中加上了驅(qū)動，而腿部放置了彈簧（用以儲能），在行走的過程中腿以以一種被動擺動的形式交互運(yùn)作。ATRIAS引入了彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型（身體的質(zhì)量以一個(gè)單點(diǎn)的形式附著在一條“無質(zhì)量”的彈簧腿上）。腿上的彈簧可以在每只腳落地時(shí)儲存部分能量，并把它轉(zhuǎn)變成推動機(jī)器人下一步的力量，正如動物腿上的彈性關(guān)節(jié)。
與大多數(shù)機(jī)器人采取的靜態(tài)穩(wěn)定性的方法不同，ATRIAS以動態(tài)穩(wěn)定的方式行走，這與人類的行走方式相同：在每次邁步的過程中于傾倒之前獲得平衡。這樣，當(dāng)被動擺動（沒有電機(jī)）的雙腿與強(qiáng)大的髖關(guān)節(jié)電機(jī)相連時(shí)，彈簧－質(zhì)點(diǎn)模型就能產(chǎn)生一種極為高效的步態(tài)，受到擾動時(shí)能夠神奇般地自動復(fù)原。
在ATRIAS基礎(chǔ)上，今年2月份Agility Robotics公司（ATRIAS研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的某些人）又推出了上面這款機(jī)器人Cassie?？磮D片也知道，相比于人類來說，它更像是一只鴕鳥的兩條腿。但無論如何，圖片中的Cassie才三個(gè)月大，關(guān)于Cassie的詳細(xì)介紹，可以查看我們之前的文章：深度解析|鴕鳥機(jī)器人Cassie，如何進(jìn)化成機(jī)器人通用型平臺？最最重要的，Cassie不再僅僅是用作實(shí)驗(yàn)室的研究，它可以走出去用于災(zāi)害救援，也可以用于貨物運(yùn)輸。
最后說一個(gè)小插曲，ATRIAS的全稱是“assume the robot is a sphere”，意為“假定機(jī)器人是一個(gè)球體”——這是物理學(xué)圈內(nèi)的一個(gè)經(jīng)典笑話，基本意思是“簡單的才是最好的”。感覺有種站在高地嘲笑那些苦心鉆研各種算法的科研人員的意思。不過我很贊同他們的觀點(diǎn)，正應(yīng)了中國的一句成語——大繁若簡。
機(jī)器人，就是夾雜著各種科學(xué)的奇思妙想
