盤(pán)點(diǎn)那些腦洞大開(kāi)的人類(lèi)設計的“異形”機器人

人類(lèi)的想象力有多大，設計出來(lái)的機器人就有多奇葩。

一旦提起機器人，大多數人首先想到的都是仿人機器人，擁有和人類(lèi)相似的四肢和頭部，甚至是能產(chǎn)生“恐怖谷效應”的機器人。另外，還有很多仿生機器人因為仿自大自然千奇百怪的動(dòng)物而顯得與眾不同。并且這些機器人界另類(lèi)的朋友都擁有一些有趣的技能。

一位來(lái)自中科院自動(dòng)化所復雜系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室的研究生整理了近年來(lái)九種典型的陸地仿生機器人。

1、Big Dog（大狗機器人）

這款機器人是波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司Boston Dynamics專(zhuān)門(mén)為美國軍隊研究設計。

目前來(lái)看，這部機器人可以的算是四足機器人中最具有代表性的一種防生器人了。大狗具有良好的負重能力，平穩性和魯棒性極好，可以幫助人類(lèi)承擔運送彈藥和物資等的任務(wù)，由于可以跑得比人類(lèi)還快，而且具有鋼鐵之軀，所以可以作為良好的戰斗前鋒隊，并且其身上裝有視覺(jué)以及定位系統，可以很好的完成跟隨等任務(wù)。美軍正在將阿富汗作為測試大狗試驗場(chǎng)。

通過(guò)對大狗在雪地、泥地以及巖石瑣屑等惡劣地質(zhì)條件下的測試得到， 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(cháng)約2.5小時(shí)的長(cháng)途跋涉。

其實(shí)，波士頓動(dòng)力還推出里一款小狗機器人（LittleDog），這款機器人主要是用于一些基礎研究，例如對電機的學(xué)習，對動(dòng)力的控制，對環(huán)境的感知，以及輪胎式運動(dòng)（其腳部采用輪式）。小狗身體內的主機可以通過(guò)傳感器采集到關(guān)節角，電機電流，身體朝向，以及腳掌與地面的應力。其已經(jīng)在麻省理工，斯坦福，卡內基梅隆，南加州等大學(xué)作為DARPA資助下的的一項研究被廣泛利用。

2、Cheetah（獵豹機器人）

獵豹機器人做的比較好的機構主要有兩家，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)力的獵豹機器人通過(guò)背后的鉸鏈關(guān)節的來(lái)回運動(dòng)，通過(guò)改變運動(dòng)的步長(cháng)和步頻來(lái)實(shí)現機器人速度的改變，這里的靈感也正是來(lái)自以模仿真實(shí)動(dòng)物的運動(dòng)特性。目前波士頓動(dòng)力的獵豹機器人在實(shí)驗室的一臺跑步機上完成這各項試驗。在跑步機上，Cheetah通過(guò)一臺液壓泵進(jìn)行動(dòng)力提供。下一代的獵豹機器人，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)力的獵豹機器人是世界上運動(dòng)速度最快的腿式機器人，約為29邁，打破了MIT在1989年創(chuàng )下的13.1邁的歷史記錄。Cheetah目前受美國國防高級研究計劃局（DARPA）的最大限度移動(dòng)和操控項目（Maximum Mobility and Manipulation program）的資助。

MIT Cheetah通過(guò)研究真實(shí)生物的肌腱結構，認為肌腱結構能夠減小沖擊力，增加了腿部的強度。通過(guò)有限元分析，研究人員設計了類(lèi)似的肌腱結構足部，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)對關(guān)節處驅動(dòng)電機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，其可以在8.3千米每小時(shí)的速度下奔跑2.23小時(shí)，或者運用3千克的電池跑10千米。

3、壁虎機器人

做壁虎機器人的機構比較多，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。

由于壁虎可以沿著(zhù)垂直墻面進(jìn)行爬行，也自然被拿來(lái)作為仿生的對象。壁虎機器人能吸附在墻上的主要原理是，在每個(gè)吸力手上，都有數百萬(wàn)根由人造橡膠制造的毛發(fā)，每根細毛的直徑大約只有500個(gè)納米左右，長(cháng)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)力可以使壁虎機器人吸附到垂直面上。

Stickybot III體長(cháng)36厘米，速度5厘米每秒；RiSE體長(cháng)25厘米，速度30厘米每秒。壁虎機器人由于其可以吸附在墻上行走的特性，可以代替人類(lèi)來(lái)執行反恐偵查、地震搜救等“高難度”的任務(wù)。

4、袋鼠機器人

袋鼠機器人由仿生機器人領(lǐng)域的又一重量級公司FESTO研發(fā)而成。

袋鼠機器人的動(dòng)力系統為氣動(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地奔跑或著(zhù)地。在觸地爪部?jì)葘拥膲嚎s空氣推力作用下，實(shí)現向上向前地跳躍動(dòng)作。腿向后蹬，袋鼠機器人就能夠前進(jìn)。而在空中的時(shí)候，其又會(huì )收回到前方。這款機器人每完成一次跳躍動(dòng)作，其爪部便會(huì )儲存空氣能量以繼續下一次的跳躍動(dòng)作。為了支持這系列動(dòng)作的持續，研發(fā)人員在袋鼠機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。

這款機器人身高超過(guò)1米，體重約合7千克，其每次實(shí)現的跳躍動(dòng)作大致在40厘米高、80厘米長(cháng)的范圍內。

5、螞蟻機器人

螞蟻機器人同樣是FESTO公司研發(fā)而成。

整款機器人不僅是對真是螞蟻單獨的仿生，另一個(gè)重大的突破和創(chuàng )新是螞蟻機器人運用了復雜的控制算法對蟻群的運動(dòng)進(jìn)行的模擬。

螞蟻機器人讓我們看到了在不同的情況下，單個(gè)的螞蟻機器人如何獨立地作出反應，相互配合并作為一個(gè)整體的聯(lián)網(wǎng)系統。通過(guò)一起推與拉，螞蟻機器人將移動(dòng)的對象穿過(guò)指定區域。由于對工作的智能劃分，才使得負載得到了有效的運輸，而對單個(gè)的機器螞蟻來(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)方式也是非常獨特的。

首先，對部件進(jìn)行激光燒結，隨后點(diǎn)綴可見(jiàn)導體結構，即所謂的3D MID過(guò)程。電路是附著(zhù)在機構表面上的，所以需要同時(shí)滿(mǎn)足設計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)后運行，不再需要外部控制系統。但是我們同樣可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式對螞蟻機器人的參數進(jìn)行調節和干預。

6、螳螂機器人

螳螂機器人是由英國漢普郡工程師丹頓（Matt Denton）于2012年3月制造完成的。

它是一種外形類(lèi)似螳螂的步行機器人，有六條腿，高2.8米、寬5米，1.9噸重，最高速度達到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器人。

機器螳螂由一臺2.2公升的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機提供動(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(xiàn)技術(shù)遠程遙控它，其運動(dòng)能夠適應各種地形。螳螂機器人使用的液壓技術(shù)，閥門(mén)、管道以及各種配件，全部在計算機的控制之下，其每分鐘就要使用150升的液體。

7、海龜機器人

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)的這款仿海龜機器人名為BeachBot。

BeachBot長(cháng)不到2英尺，寬和高不足15英寸，目前主要用于沙灘作畫(huà)，7個(gè)電機可以幫助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(huà)筆效果，球形狀的氣球輪子讓機器人遍歷所有類(lèi)型的沙灘而不留痕跡，以免毀壞沙畫(huà)。

8、軟體機器人

軟體機器人是一種新型柔韌機器人，可以?xún)H用空氣來(lái)驅動(dòng)?？茖W(xué)家最新研究的軟體機器人是采用紙質(zhì)和硅橡膠制成，能夠彎曲、扭轉和抓起自身重量100多倍的物體。軟體機器人的設計靈感是模仿人類(lèi)的內部構造或昆蟲(chóng)的外形架構等，尤其是后者。

例如麻省理工大學(xué)研究出了蚯蚓機器人，蚯蚓通過(guò)反復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(chēng)為“蠕動(dòng)”的運動(dòng)原理來(lái)活動(dòng)，而我們的胃腸道也做著(zhù)相同的動(dòng)作，通過(guò)肌肉的伸縮，沿著(zhù)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。這臺幾乎完全由柔軟材料制成的機器人非常富有彈性，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)）。

又如美國塔夫斯大學(xué)開(kāi)發(fā)、已經(jīng)獲得美國國防部高級研究計劃署資助的330萬(wàn)美元的研究經(jīng)費的毛毛蟲(chóng)機器人。這款機器人用了兩個(gè)月時(shí)間建造完成，長(cháng)12.7厘米，通過(guò)抽吸空氣進(jìn)入肢體，可獨立地控制它的四肢運動(dòng)，通過(guò)手動(dòng)或者計算機控制，該機器人具備爬行和滑動(dòng)等動(dòng)作。實(shí)驗結果顯示，這種柔體機器人能夠靈活自如地往返15次穿梭于這一間隙。多數情況下，柔體機器人往返一次不足1分鐘。它能夠非常頑強地適應各種環(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。

9、其他一些仿生機器人

在TED美國國家航空和航天局NASA會(huì )議上，弗吉尼亞理工大學(xué)的“機器人技術(shù)與機械實(shí)驗室（RoMeLa）”主任Dennis Hong，介紹了他的團隊在RoMeLa所制造的七種獲過(guò)獎的全地形機器人，其中不乏一些出色的仿生機器人。

STriDER (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot)是一種三條腿的機器人，利用動(dòng)能和勢能的轉化進(jìn)行運動(dòng)，靈感來(lái)源于威爾斯小說(shuō)《世界大戰》里的一種三腿生物。

MARS (Multi-Appendage Robotic System)是一種具有六只腿的機器人，采用自適應的控制算法可以在沙地等惡劣環(huán)境下進(jìn)行行走，并馱載一定的負荷。

IMPASS (Intelligent Mobility Platform with Active Spoke System)采用的是輪式腿，是一種帶有驅動(dòng)輻條系統的移動(dòng)平臺，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完成爬樹(shù)的高難運動(dòng)

總結：在過(guò)去、現在甚至未來(lái)，對仿生機器人的研究都是多元化的，這一篇主要介紹的是陸地機器人。我們通過(guò)對自然界的天才們進(jìn)行觀(guān)察和研究后，利用他們經(jīng)過(guò)數百年進(jìn)化后得到的出色的外形特點(diǎn)與運動(dòng)特性而設計出的仿生機器人。這些機器人很多都可以用來(lái)充當我們人類(lèi)助手，通過(guò)它們來(lái)完成我們人類(lèi)不能完成的一些任務(wù)。所以，既要發(fā)展模仿人的機器人，又要發(fā)展模仿其他生物的機器。

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