步行机器人正在大步迈入市场

这些机器人将能够去人类能去、现有机器人无法到达的地方

最近出现在福特汽车公司底特律范戴克变速箱工厂的两个机器人不仅看起来可爱，还是非常实用的工作机器人，它们也许为未来自动化提供了发展方向。

安排机器人进入工厂很难说是新点子——早已有大约240万名机器人在全球各地的工厂里工作。但其中大多数机器人都仅是固定在地面上、能够完成焊接和喷漆工序的巨大机械臂；极少数有移动能力的机器人依靠轮子快速移动，完成运送任务。而范戴克工厂的新型机器人与这两类机器人迥异，它们能像人类一样行走。

这对亮黄色的四足机器人的模样有点像狗，一只被昵称为“路威”（Fluffy），另一只被昵称为“斑点狗”（Spot，这也是机器人制造商波士顿动力取的正式名字）。这对机器人出现在工厂里，不是为了逗乐人类员工，而是要完成一个重要任务，福特公司希望此举会为公司节省大笔开支。“路威”和“斑点狗”的后背上装有激光扫描仪，能在20万平方米大小的工厂里一边奔跑一边收集数据。这些数据将会用来为整个制造流程构建详细的计算模型，这种模型被称为“数字孪生”，福特公司的工程师会利用它来构想如何重新安排生产线。

多年以来，随着工厂引进新设备以及设备需要移动，工厂平面图会过时。人工测量变速箱工厂会耗费数周时间，花费大约30万美元。福特公司认为，“路威”和“斑点狗”既能爬楼梯，又能匍匐进入人类很难到达的区域，这将节约一半的时间，用“部分开支”就可完成测量工作。尽管福特公司此次是租赁了这两个机器人，但波士顿动力目前已经将它们对外销售，一个机器人要价7.5万美元。以这个价位而言，它们执行一些和在范戴克工厂所承担任务相似的工作，很快就能收回成本。

“斑点狗”系列是波士顿动力公司第一种商品化的步行机器人。其他公司和研究团队正逐渐推出更多步行机器人，其中有些是四足机器人，有些是两足机器人。两足机器人比四足机器人更加灵活，如果同时配备了手臂，更适合执行捡拾物品或操作控制开关之类的任务。所有这些步行机器人有个共同点，那就是它们代表了机器人移动能力向前迈出了一大步。

四条腿很好，两条腿更好

假如机器人要模仿人类去完成操作性任务，它们需要能够以人类的行走方式来移动。加州理工学院的机器人学专家亚伦·埃姆斯（Aaron Ames）表示，滚动式移动对于探索地球大部分地方都毫无用处，只要问问用轮椅的人就能明白。他说：“我们现在能让机器人行走得十分好。”然而，这样的机器人模样有点古怪。当埃姆斯博士实验室里的一个两条腿的机器人迈步走出实验室时，加州理工学院的校园立马骚动起来。但人们未来需要适应这些两足机器人，因为有更多两足机器人在不断涌现。

问题依然存在，急需改进。乔纳森·赫斯特（Jonathan Hurst）是俄勒冈州奥尔巴尼的“敏捷机器人”（Agility Robotics）的联合创始人，他说：“我们一旦达成目标，将会有数百万名步行机器人出现在我们生活中。”他的公司不久前发布了两足机器人Digit，这种机器人有两条手臂，模样像鸵鸟。目前Digit的售价是25万美元，但这是早期价格。随着更多步行机器人投入工作，机器人的研发会加速，产量也会提升，使得Digit之类机器人的成本下降到数万美元。

这个过程类似于无人飞行器的出现。无人飞行器曾经要花费数百万美元，用途有限，直到科研人员弄懂如何用多轴协调方式让小型飞行器悬浮于空中，情况才有了转机。这些多轴飞行器能轻松自主地飞行于空中，每台机器的售价跌落到500美元或更低。如今多轴飞行器用于各种各样的场合，从摄制电影、航空测量到递送包裹等。机器人研究领域的部分人士认为，步行机器人已经开始一条相似的路径。

有什么改变？埃姆斯博士解释：“我们现在更深入理解机器人运动背后的数学原理。”老派的步行机器人（譬如，日本汽车制造商本田公司于2000年揭晓的著名人形机器人“阿西莫”）的步态僵硬，它们行走时拖曳脚步，先将一只脚放到前方，校验平衡后再移动另一只脚，再一次校验平衡，以此类推。埃姆斯博士说：“人类行走时不会那么做，你的脚只需落地和继续。”

迈步向前！

人类步行的方式有时被生物力学家描述为受控下坠（controlled falling）。迈步需要摆动一条腿并放下，随着腿上方的身体向前移动，进行下意识的细微修正来维持稳定。每条腿都像弹簧一样运作。这些运动能够预测，而且，最近科研人员已经找到如何为这些动作进行数学建模的方法。加上操纵机器人四肢的更好制动器和更精确测量事物的传感器，这些数学模型有可能在机器人上再现这种步行方式。要做到这点，不需要任何时髦的机器学习或人工智能方法，只需要老式的计算，埃姆斯博士补充道。

阿西莫的步态和新步行机器人的步态差别很大。阿西莫的粗壮双腿看起来很沉重，而Digit自信地用一对细长的下肢迈步，行走时会开心地摇摆手臂。波士顿动力公司制造的试验型人形机器人“阿特拉斯”（Atlas）能力更强。阿特拉斯可以步行、奔跑、跳跃，甚至能后空翻。阿西莫与许多名人合影，但它从未批量制造。本田公司在2018年停止了该项目，转而将资源集中到更加“务实”的机器人上，譬如为老年人服务的可移动设备。

许多人易于推断这些新的步行机器人只是简单模拟自然，但事实并非如此。四足是个稳定平台，是设计步行机器人的良好起点。在协调好机器人四肢的移动、获得良好平衡、装备上视觉系统（让机器人弄明白该落脚何处）之后，“斑点狗”的设计师最终获得一个与狗类似的机器人。波士顿动力公司商务拓展部门的负责人迈克尔·佩里（Michael Perry）说，那并不让人吃惊，因为大自然开发高效的设计方案已有很长的时间。

另一个设计艺术如何演化成模拟自然的范例呈现在Digit的设计过程中。Digit像鸵鸟一般的外表源自“凯西”（Cassie），后者是“敏捷机器人”公司出售给许多科研团队的两足机器人。凯西的开发者必须寻找方法，阻止机器人的一些制动器之间相互影响。结果，他们的解决方案是构建外表酷似鸟的两条腿。

“凯西”随后获得两条手臂，并演化成Digit，而这是工程师打算解决另一个问题的成果。当机器人向前伸出一条腿，凯西的身体稍微转动，假如它行走得太快，有时会跌倒。在大自然中，一些动物在快速运动时用尾巴改进平衡。为了改进移动性能，敏捷机器人公司的科研人员借用了这个点子。他们在机器人的躯干上加装一对酷似尾巴的附枝，机器人躯干的两侧各有一根；接着将这对附枝改成一对手臂，万一机器人摔倒，这对手臂能撑住机器人，帮助它再次起身。

手臂也能完成其他有用的任务，譬如在仓库里搬箱子。Digit能搬起重达20公斤的东西。赫斯特博士认为，配送货物很可能成为步行机器人的重要用途，尤其在当前，由于COVID-19而实行居家限制，电子商务蓬勃发展。大多数仓库都是针对人类劳工设计，而拥有双腿、和人类以相似方式移动的步行机器人会很好适应仓库的工作。

进一步开发后，步行机器人会承担更多复杂任务，譬如送货到各家各户的快递工作。福特公司正在用一台乘坐在厢型车后车厢里的Digit机器人进行这方面的探索。虽然早已有用轮型机器人送货的实例，但给千家万户送货是个棘手任务，可能涉及爬楼梯或登上台阶。赫斯特博士评论道：“要想把包裹送到大多数家庭的门口，需要用腿爬楼。”

尚不清楚这项任务具体要如何来完成。除非机器人承担一项预先编制好的任务，不然大多数可移动机器人都需要操作员来提供基本指令（譬如前进到某个地点）。接着机器人自行步行到那个地点，沿途避开障碍物，登上或走下各种台阶和楼梯。这意味着挨家挨户送快递的步行机器人可能需要社区的电子地图来知道前行的道路和避开的障碍。此外，还涉及大数据的获取工作，就像那些用大数据为无人驾驶汽车建构电子地图的工作。同样，在一家工厂或仓库里，在放手让步行机器人独立工作之前，步行机器人需要人类做示范。

实现完全自主的机器人还有很长的路要走。然而，许多机器人学家认为，他们总有一天会实现目标或至少接近目标。

自我决定

实现完全自主的机器人（走进未知环境和决定自己做什么事）还有很长的路要走。对于这样的设备，一项最困难的任务是自主照料居家人士。机器人需要能够做出无数复杂的决定，譬如让病人服用药物，决定是否让陌生人进屋，或者知道何时该出门遛狗。然而，许多机器人学家认为，他们总有一天会实现目标或至少接近目标。

与此同时，目前研发的新一代机器人会继续加强机器人的能力。对于波士顿动力公司，佩里先生估计，除了勘探测量，“斑点狗”还会在质检和保养工作中找到用武之地。譬如，这样的机器人能进入变电所之类的危险环境。

“斑点狗”的下一个技艺不再是仅仅寻找问题，而是要采取行动（譬如开合开关或转动阀门）解决问题。它用一条操作臂就能完成这个任务，而这让它看起来不那么像狗，而更像长脖子的腕龙。这种构造的机器人原型已经在波士顿动力公司的办公室里跑来跑去，为员工打开和关上房门。

这个版本的“斑点狗”机器人预计在2021年上市销售。至于波士顿动力公司的人形机器人“阿特拉斯”，当前的造价还太过昂贵，无法推出商业化版本。但佩里先生说，从这个机器人身上获取的经验会在未来帮助提供建造其他机器人所需要的工程设计方案。

未来的一些步行机器人也许不会部署在地球上。加州理工学院的埃姆斯博士认为，有腿的机器人会在行星探索上拥有优势——譬如越过难走的地形，进入洞窟。与此同时，他和其他科研机构的一些同行在利用机器人移动的新知识来为那些无法轻松行走的人开发轻质义肢，为那些完全无法行走的人开发动力骨骼。在这个不为轮子打造的世界里，此举带来令人可望又不可及的前景，希望总有一天在步行机器人的帮助下，这个世界能消除轮椅。

资料来源 The Economist