如何让机器人在火星上行走？

赤道

火星车需要足式机器人

来认识一下SpaceBok，这是一个四足小机器人，它，正准备向红色星球“残酷”的地形迈出第一步。

站在土壤中的SpaceBok机器人  图片来源：苏黎世联邦理工学院

从1997年登录火星的火星车到今年2月降落的毅力号，这颗红色星球的机器人都有一个共同的特征：轮子驱动。滚动远比步行更稳定、更节能，学习人类行走的能力即使是地球上的机器人也难以掌握，你难以想象昂贵的火星探险家像乌龟一样翻倒之后的尴尬局面。

然而，轮子的问题在于它们限制了漫游者的去向：为了探索像陡峭山丘这样复杂的火星地形，机器迫切需要进化为地球上的动物提供的那种腿。因此，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和德国马克斯普朗克太阳系研究所的一组科学家一直在玩一种名为SpaceBok的小型四足机器人，旨在模仿一种被称为跳羚的羚羊。

正如它的名字一样，现实生活中的跳羚在非洲沙漠中蹦蹦跳跳，或许是为了迷惑捕食者。该机器人于2018年推出的最初概念实际上是让它在月球表面跳跃，就像宇航员在月球引力较弱的情况下所做的那样。这可能适用于我们的卫星，那里的地形相对平坦，但在火星上，考虑到复杂的地形——到处都是沙子、岩石和陡峭的斜坡，这可能太冒险了。所以现在研究人员正在修改它的四肢和步态，看看它是否能够处理更残酷的地形。

静态步伐和动态步伐的实验

在这些新实验中，该团队对SpaceBok进行了编程，使其步态更加传统、弹性更小。具体来说，研究人员想比较两种步态：一种是“静态”步态，在任何给定时间内至少有三只肢体与地面接触;另一种是“动态”步态，其中不止一个肢体可以离开地面。前者更有条理，但后者效率更高，因为它可以让机器人移动得更快。

?机器人平面脚底板设计成了扁平的旋转圆盘

研究人员还为SpaceBok配备了两种支脚：点支脚和平面支脚。尖足的表面积很小，有点像真正的跳羚的蹄子。相比之下，平面脚实际上是扁平的旋转圆盘，当脚与地面接触时会弯曲成一个角度。说真的，它们就像带防滑钉的雪鞋，布满了帮助脚抓地的凸起物。

研究人员为了定制机器人的不同步态和步伐配置，把它放在一个巨大的倾斜沙箱中，沙箱里装满了与火星上发现的土壤相似的材料。配置允许机器人爬上25度平面，并通过监控机器人的能源使用情况，量化步态和脚的每种配置效率。

描述这项工作的资料预印本，已被发表在《FieldRoboLics））《野地机器人》杂志上，他们表明该机器可以灵巧而有效地爬上模拟的火星山丘而不会翻倒。该研究的主要作者、苏黎世联邦理工学院机器人专家亨德里克·科尔文巴赫说：“我们想证明，如今这些动态工作的系统实际上可以在火星沙滩上行走，这是一项未来具有很大潜力的技术。”

有趣的是，机器人使用扁平足和尖足都可以很好地爬上山坡。平面脚底的机器人可以停在沙子上，尖头版本脚底的机器人会下沉，提供一种锚点固定机身。

“一个令人惊讶的发现是，尖脚在这个特定的斜坡上表现也不太差。”科尔文巴赫说。至少对于这种模拟的火星土壤来说是这样。在实际的红色星球上，沙子中可能隐藏着岩石——如果机器人路过，它可能会摔倒。埋藏的岩石是特别具有挑战性的障碍物，因为机器人无法用相机检测到它们。

研究人员可以为SpaceBok配备摄像头进行自主导航，但在实验中，它是盲目行走的。在布满沙子的岩石地形的情况下，具有尖脚的机器人更有可能撞到隐藏的石头。研究小组发现，扁平足使机器人行动变慢，但占的形状使其更有可能安全地越过障碍物。

但是扁平足也有一些缺点。由于沙箱是有角度的，里面的材料滑动是另一个大挑战。想一想当你爬上沙丘时，脚边出现沙崩时会发生什么。如果沙子在你下方不断移动，则需要更多的能量才能爬上那个斜坡——你既要与斜坡作斗争，又要与流沙作斗争，极度消耗体能。而对于SpaceBok来说，扁平足造成了更多的表面干扰，增加了滑移。

机器人尝试用平面脚进行静态步态实验

所以，理想的设计可能介于两种脚底板设计之间。科尔文巴赫说：“我认为与尖足相比，肯定需要增加表面积，因为在火星上真的需要避免沙地下沉事件，一旦陷在那里你可能再无法出去了。”未来，研究人员需要为SpaceBok改进，让它可以实时修改其表面积以适应不同种类的土壤。

此外，四足机器人的步态也需要类似的灵活性，與使用更接近四足动物移动方式的动态运动相比，机器人在静态时更安全，其中它始终保持至少三条腿在地面上。但当SpaceBok试图爬上斜坡时，推动前进的腿会让速度受限。科尔文巴赫说：“在动态运动中，至少有两只脚推动机身，所以还需要一些能量来承担机器人自身的重量，保持平衡显得不那么容易。”

适应地形的“实体化”趋势

未来的SpaceBok需要改变其步态以及脚的形状。在平原上，它可以使用动态步态更快地移动并节省能量。当它试图爬上特别崎岖的山丘时，它可能会切换到静态步态以更安全地行走，从而牺牲能量避免从斜坡上掉下来。

寻路策略也很重要。在这些实验中，SpaceBok配备了一种算法，可以监控其能源使用情况，以自动确定最有效的路径。这产生了一种“紧急”行为，其中机器人在爬升时选择了“之”字形折返，而不是迎面冲上山，因为后面一种模式更耗电。

挪威机器人专家特恩斯·尼加德表示，机器人的硬件、软件和周围环境之问的这种密切相互作用是“实体化”机器人技术大趋势的一部分。借助自身机器人技术，工程师们正在训练机器适应困难的地形。理想情况下，在火星上行走的机器人具有类似的适应性，特别是因为它需要高度的自主权，这要归功于地球的通信延迟。

不受轮子限制的机器人的前景令研究人员感到兴奋，他们对调查沙地或陡峭地形有着浓厚的兴趣。“我们经常对这些区域感兴趣，尤其是陨石坑，那里曾经有过古老的湖泊。”美国国家航空航天博物馆的行星科学家玛丽·亚贝克说，她曾在洞察号着陆器以及好奇号和毅力号上工作过，“那些星球是曾经有流水的地方，很可能有过生命。随着我们建立新的穿越和探索方式，可能使用这些新型机器人，打开我们以前无法探索的地球部分。”

带有尖脚底部的动态步态

那么，SpaceBok的升级版可能会加入多样化的科学机器人大军，去寻找火星生命。“足式机器人可能无法取代太空中的轮式机器人。”尼加德说，“但它们绝对可以带来宝贵的贡献，并在团队中发挥重要作用。”