蹣跚學(xué)步的3個(gè)機(jī)器人從左到右分別為丹尼斯、幼童和康奈爾

    人與機(jī)器的不同之處就是人能伸縮，而機(jī)器不能。科學(xué)家開發(fā)的蹣跚學(xué)步的仿人機(jī)器人就學(xué)人伸縮著走路，并能保證不會(huì)摔跤。

        美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)近日向外界展示了3個(gè)仿照人類步行方式行走的機(jī)器人，分別是美國麻省理工學(xué)院研制的“幼童”，康奈爾大學(xué)研制的“康奈爾”，以及荷蘭代爾夫特大學(xué)研制的“丹尼斯”。其中，“幼童”是3個(gè)機(jī)器人中最矮的一個(gè)，走起路來搖搖擺擺，就像剛開始學(xué)步的兒童。

        對于這幾個(gè)機(jī)器人來說，它們僅僅是在人類面前邁出一小步。但對于機(jī)器人研究領(lǐng)域來說，這是一次巨大的技術(shù)飛躍，是自19世紀(jì)以來機(jī)器人行走研究領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。

        屈膝抬腿自然落腳走路

        雖然行走機(jī)器人看起來更像行動(dòng)的安裝工而不是人，但他們很懂得人類行走的訣竅。他們利用曲線型腳和機(jī)動(dòng)化腳踝來向前邁動(dòng)他們的大腿。當(dāng)它們行走時(shí)，膝蓋會(huì)彎曲帶動(dòng)小腿，雙臂會(huì)前后擺動(dòng)以保持身體平衡。科學(xué)家還在機(jī)器人頭部安裝了裝飾性的眼睛，讓它們看起來更像人類。

        早在19世紀(jì)，人類工程師就設(shè)計(jì)出能夠依靠重力行走下坡的機(jī)器玩具，科學(xué)家稱之為“無源動(dòng)力設(shè)計(jì)”。但自那之后，仿人機(jī)器人行走研究領(lǐng)域就沒有再取得較大突破。

        我們生活中常見的步行玩具通過左右擺動(dòng)使腳離開地面。而人類行走時(shí)，則是依靠彎曲膝蓋使腳離開地面，從而將這種擺動(dòng)降低至最低。“康奈爾”和“丹尼斯”步行就是采用了這種原理。

        “無源動(dòng)力設(shè)計(jì)”使這些新機(jī)器人在平面行走時(shí)，在肌肉似的彈性和張力下，依靠重力讓腳返回地面，從而使其所消耗的能量幾乎與相同體重人類步行消耗能量相當(dāng)，僅比普通熒光燈管消耗的能量略高。

        而“其他機(jī)器人完成這一系列動(dòng)作時(shí)，每條腿、膝和踝的運(yùn)動(dòng)都需要機(jī)械化的幫助才行，也就要消耗大量能量。比如，日本本田公司推出的“阿西莫”機(jī)器人能夠跑步、倒走和上樓梯，但每一個(gè)動(dòng)作都要消耗大量能量，通常是這些機(jī)器人的10倍之多。

        而且，其他機(jī)器人即便控制得最順暢，都必須先站立，然后才能做其他動(dòng)作。而這些新機(jī)器人行走是基于摔倒，自己起立，再摔倒的原理來設(shè)計(jì)的。

        600步內(nèi)適應(yīng)新地形行走

        雖然 “幼童”不能屈膝抬腿，必須借助左右搖擺來完成邁步動(dòng)作，但它它卻是最聰明的一個(gè)，擁有一個(gè)與螞蟻智力水平相當(dāng)?shù)拇竽X，能像人類一樣適應(yīng)新地形。

        “幼童”還配備有傳感器，可以幫助它像人走路一樣學(xué)著行走。傳感器可以測量它的動(dòng)作、傾斜度和運(yùn)動(dòng)速度，然后指揮小發(fā)動(dòng)機(jī)來調(diào)整步態(tài)，以適應(yīng)地形的變化。

        科學(xué)家表示，它能夠在“不到20分鐘或者大約600步內(nèi)” 自行調(diào)整步態(tài)，學(xué)會(huì)在新地形環(huán)境下行走。

        傳感器以每秒200次地進(jìn)行測量，不間斷地將新指令傳達(dá)給發(fā)動(dòng)機(jī)，以控制它的傾斜和運(yùn)動(dòng)速度。傳感器還能指示制動(dòng)器以控制機(jī)器人腳踝的凸出程度。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，它每走一步都會(huì)對行走參數(shù)進(jìn)行小小的調(diào)整。就像人從沙地到草地再到公路一樣，會(huì)不斷地調(diào)整好步態(tài)。

        “未來某一天，它將可以在任何表面上行走，并能調(diào)整好步態(tài)，”麻省理工學(xué)院博士后魯斯?泰德拉克說。“我們相信，這種原理未來將應(yīng)用于大量新步行機(jī)器人。”

        他表示，此機(jī)器還將能調(diào)整好它的傾斜度和速度，學(xué)會(huì)踩腳踏車，甚至還會(huì)后退走。

        有利于假肢和人類行走生物力學(xué)的研究

        雖然3個(gè)機(jī)器人能像人那樣抬腿走路，但它們在其它方面卻不如此前出現(xiàn)的機(jī)器人多才多藝。但參與“康奈爾”設(shè)計(jì)工作的美國密歇根大學(xué)研究人員史蒂文?科林斯說，“真正的解決方案介于兩者之間，機(jī)器人可以在平面或下坡動(dòng)作中采用無源動(dòng)力模式，在上樓、跑步和跳遠(yuǎn)等高能需求動(dòng)作中改用大型發(fā)動(dòng)機(jī)。”

        專家甚至認(rèn)為，這些技術(shù)突破將改變機(jī)器人的制造方式，甚至為人類假肢研究和人類行走生物力學(xué)研究提供幫助。