发布日期： 2024年05月06日
来源：AAAS
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这个问题可能是21世纪版的龟兔赛跑:机器人和动物之间的赛跑，谁会赢?
在一篇新的观点文章中，来自美国和加拿大的工程师团队，包括科罗拉多大学博尔德分校的机器人专家Kaushik Jayaram，开始回答这个谜题。该小组分析了数十项研究的数据，得出了一个响亮的“不”。在几乎所有情况下，生物有机体，如猎豹、蟑螂甚至人类，似乎都能跑得比它们的机器人对手快。
由华盛顿大学的Samuel Burden和西蒙弗雷泽大学的Maxwell Donelan领导的研究人员上周在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究结果。
“作为一名工程师，这有点令人沮丧，”Jayaram说，“经过200多年的紧张工程，我们已经能够将宇宙飞船发射到月球和火星等等。但令人困惑的是，在自然环境中，我们还没有明显优于生物系统的机器人。”
他希望这项研究能激励工程师们学习如何制造适应性更强、更灵活的机器人。研究人员得出结论，机器人跑不过动物的原因并不在于任何一个机械部件的缺陷，比如电池或执行器。相反，工程师们可能会犹豫的地方是如何让这些部件高效地协同工作。
这种追求是贾亚拉姆的主要激情之一。他在科罗拉多大学博尔德校区的实验室里有很多令人毛骨悚然的爬行动物，包括几只毛茸茸的狼蛛，它们大约有半美元那么大。
“狼蛛是天生的猎手，”Jayaram说。“它们生活在岩石下，可以以惊人的速度在复杂的地形上奔跑，捕捉猎物。”
他设想了一个世界，工程师们制造的机器人更像这些非凡的蛛形纲动物。
他说:“从某种意义上说，动物是这一终极设计原则的体现——一个共同运转良好的系统。”
“动物和机器人谁跑得更好?”的问题很复杂，因为跑步本身就很复杂。
在之前的研究中，Jayaram和他在哈佛大学的同事们设计了一系列机器人，试图模仿经常被骂的蟑螂的行为。该团队的HAMR-Jr模型可以装在一分钱硬币上，其冲刺速度相当于猎豹的速度。但是，Jayaram指出，虽然HAMR-Jr可以向前和向后移动，但它在左右移动或在凹凸不平的地形上的移动效果并不好。相比之下，不起眼的蟑螂在从瓷器到泥土和砾石的表面上奔跑都没有问题。它们还能冲上墙壁，从微小的裂缝中挤进去。
为了理解为什么这种多功能性对机器人来说仍然是一个挑战，这项新研究的作者将这些机器分为五个子系统，包括动力、框架、驱动、传感和控制。令研究小组惊讶的是，这些子系统中似乎没有几个低于动物的同类。
例如，高质量的锂离子电池每公斤(2.2磅)的重量可以提供多达10千瓦的电力。相比之下，动物组织只产生大约十分之一。与此同时，肌肉的绝对扭矩无法与许多电机的绝对扭矩相匹配。
“但在系统层面，机器人就没那么好了，我们遇到了固有的设计权衡。如果我们试图优化一件事，比如前进速度，我们可能会失去其他东西，比如转弯能力。”
那么，工程师如何才能制造出像动物一样，不仅仅是各部分的总和的机器人呢?
Jayaram指出，动物不像机器人那样被分成单独的子系统。例如，你的股四头肌推动你的腿，就像HAMR-Jr的驱动器移动四肢一样。但四头肌也通过分解脂肪和糖，并结合能感知疼痛和压力的神经元来产生自己的能量。
Jayaram认为，机器人技术的未来可能会归结为做同样事情的“功能子单元”:与其将电源与电机和电路板分开，为什么不将它们全部集成到一个部件中呢?在2015年的一篇论文中，科罗拉多大学博尔德分校的计算机科学家尼古拉斯·科雷尔(他没有参与目前的研究)提出了这种理论上的“机器人材料”，它的工作原理更像你的股四头肌。
工程师们离实现这一目标还有很长的路要走。像Jayaram这样的一些人正在朝着这个方向迈进，比如通过他实验室的柔性腿铰接机器人昆虫(CLARI)机器人，这是一种多腿机器人，移动起来有点像蜘蛛。Jayaram解释说，CLARI采用模块化设计，它的每条腿都像一个独立的机器人，有自己的马达、传感器和控制电路。该团队的新改进版本mCLARI可以在密闭空间内向各个方向移动，这是四足机器人的第一次。
像Jayaram这样的工程师还可以从那些完美的猎人狼蛛身上学到一件事。
“大自然是一位非常有用的老师。”
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