近年來科學(xué)家們制造出各種類型和功能的機(jī)器人，在實(shí)踐中機(jī)器人也廣泛應(yīng)用于火星科學(xué)探測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)以及家庭生活等領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有的大多數(shù)步行機(jī)器人看起來更像是一種雙腿僵硬的金屬怪物，距離人們的理想還有很大差距。美國佛蒙特大學(xué)科學(xué)家約什 邦加爾德近日對(duì)現(xiàn)有的多款著名步行機(jī)器人進(jìn)行了分析和研究，并開發(fā)出一種計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)顯示機(jī)器人也可以像動(dòng)物進(jìn)化一樣逐漸學(xué)會(huì)更好地步行。

　　1. 虛擬機(jī)器人原型

　　通過模擬系統(tǒng)，邦加爾德創(chuàng)作出一種虛擬機(jī)器人，這種虛擬機(jī)器人可以隨著時(shí)間的變化改變自己的形狀。最初，這種機(jī)器人身體像蛇一樣，沒有腿，靠腹部運(yùn)動(dòng)。邦加爾德的模擬系統(tǒng)根據(jù)機(jī)器人脊骨的每一個(gè)片斷采用了各種不同的運(yùn)動(dòng)算法。如果某種算法能夠成功地讓機(jī)器人更接近目標(biāo)，就會(huì)被應(yīng)用于下一個(gè)片斷。如果不成功，則被舍棄。在每個(gè)片斷中，成功的算法還將會(huì)隨著片斷的輕微修正進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)各種不同算法分別成功地適應(yīng)各脊骨片斷的運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人就已進(jìn)化出有效的運(yùn)動(dòng)模式。

　　腹部運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)化成功后，邦加爾德開始為機(jī)器人增加腿部。隨著腿部的緩慢“生長(zhǎng)”，模擬系統(tǒng)中的虛擬機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)開始從滑行到步行進(jìn)化。邦加爾德介紹說，“緩慢生長(zhǎng)的腿部使得算法(控制器)以機(jī)器人的語言去處理一個(gè)問題，即首先能夠擺動(dòng)，然后再實(shí)現(xiàn)平衡。這種步行控制器與我們以前看到的有所不同?！边@樣它就逐漸學(xué)會(huì)了如何更快地行走，并最終掌握了更加自然的步法

　　當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)世界中很難讓機(jī)器人改變它們的身體或讓其腿部生長(zhǎng)，但邦加爾德利用樂高機(jī)器人研制出一個(gè)概念驗(yàn)證版機(jī)器人。這款機(jī)器人擁有一個(gè)簡(jiǎn)單的脊骨和四條腿。最初，一個(gè)額外的支柱幫助四條腿像蜥蜴一樣向外伸展，然而逐漸將它們收攏，最終機(jī)器人可以用腿站立起來。邦加爾德表示，這一原型顯示，真實(shí)的機(jī)器人也可以利用相似的過程進(jìn)化出有效的步法。

　　2. “大狗”運(yùn)輸機(jī)器人

　　無論是兩條腿還是四條腿，步行機(jī)器人肯定比那些輪式機(jī)器人或非移動(dòng)機(jī)器人更像動(dòng)物。因此，步行機(jī)器人更容易融入人類的生活，它們也看起來更可愛，更酷。不過，科學(xué)家們研究機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)機(jī)制并不僅僅是因?yàn)樗鼈兛雌饋砜蓯郏菫榱俗寵C(jī)器人更好地為人類服務(wù)。

　　邦加爾德表示，“有腿機(jī)器肯定比那些輪式機(jī)器更擅長(zhǎng)在崎嶇的山路上行走。”這就是為什么美國軍方能夠慷慨斥資數(shù)百萬美元資助波士頓動(dòng)力公司研制“大狗”運(yùn)輸機(jī)器人的原因?！按蠊贰笔且环N動(dòng)力平衡四足機(jī)器人，載重能力達(dá)300磅(約合136公斤)，可以通過泥濘、雪地、冰面、煤渣等路面?！按蠊贰钡乃臈l腿如此逼真，讓一些人心里不安。即使在受到大力推擠的情況下，“大狗”仍然可以穩(wěn)穩(wěn)站立。邦加爾德的模擬機(jī)器人也顯示出相似的穩(wěn)定性。

　　3.“漫游者”機(jī)器人

　　征服崎嶇山路并不是研制有腿步行機(jī)器人的唯一目的。事實(shí)證明，步行機(jī)器人也適合長(zhǎng)途旅行。垂直的腿部(相對(duì)的則是像蜥蜴一樣向外伸出的水平腿部)可以像鐘擺一樣前后擺動(dòng)，有助于向前邁進(jìn)。像人類一樣，機(jī)器人的這種運(yùn)動(dòng)幾乎不需要耗費(fèi)能量。邦加爾德表示，“這種方式能效很高，這也是兩足性進(jìn)化的原因之一。我們?nèi)祟惒挥没ㄌ蟮牧饩涂梢宰吆荛L(zhǎng)的路程?！?/p>

　　由美國康奈爾大學(xué)研制的步行機(jī)器人“漫游者”去年以14.3英里(約合23公里)的距離打破了機(jī)器人的步行記錄。“漫游者”盡管有四條腿，但從技術(shù)上講它屬于兩足機(jī)器人，因?yàn)樗耐仁浅蓪?duì)工作的。康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)介紹說，“漫游者”的步法也許并不優(yōu)雅，但它走2萬步所花掉的電費(fèi)僅為1美分。

　　4. “火焰”機(jī)器人

　　此前，步行機(jī)器人吸引人們的目光并非是因?yàn)閷?shí)用，而是因?yàn)樾缕?，原因在于它們更難設(shè)計(jì)。事實(shí)上，研制一個(gè)成功的步行機(jī)器人需要一個(gè)完全不同的設(shè)計(jì)方案。自上世紀(jì)90年代起，研究人員關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域就是“被動(dòng)動(dòng)力學(xué)”或“無動(dòng)力運(yùn)動(dòng)”。航空工程師泰德-麥克吉爾所研制的兩足機(jī)器人非常逼真，它可以不用任何發(fā)動(dòng)機(jī)，就可以走下斜坡。

　　荷蘭德爾福特科技大學(xué)生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域更進(jìn)一步，他們研制出的機(jī)器人要么是無動(dòng)力的，要么是采用無動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的方式。就像人類行走時(shí)腿部利用自己的動(dòng)力自然擺動(dòng)一樣，這些機(jī)器人行走得更加自然，而且將動(dòng)力自然地融合到步法之中。這些步行方式中持續(xù)變化的動(dòng)力學(xué)對(duì)于機(jī)器人設(shè)計(jì)者來說是一大挑戰(zhàn)。他們必須要把生物學(xué)靈感更好地融入到機(jī)器人控制系統(tǒng)中。

　　德爾福特科技大學(xué)研制的“火焰”機(jī)器人的臀部、膝蓋和踝骨中采用了彈性機(jī)制，這就意味著每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)的關(guān)節(jié)之間都有一個(gè)彈簧，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)與關(guān)節(jié)直接相連?！盎鹧妗睓C(jī)器人參研者之一馬丁-維塞解釋說，“這種方式吸收了足部踩踢地面時(shí)產(chǎn)生的沖擊力?！?/p>