这个问题可能是21世纪版的龟兔赛跑：在机器人和动物的赛跑中谁会获胜?
在一篇新发表的透视文章中，一支由美国和加拿大工程师组成的团队，包括科罗拉多大学博尔德分校的机器人专家 Kaushik Jayaram，着手解答这个谜题。该团队分析了数十项研究的数据，得出了一个响亮的“不”的结论。在几乎所有情况下，生物有机体(如猎豹、蟑螂甚至人类)似乎都能跑得比机器人快。
由华盛顿大学的塞缪尔·伯登(Samuel Burden)和西蒙弗雷泽大学的马克斯韦尔·多尼兰(Maxwell Donelan)领导的研究人员上周在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究成果。
科罗拉多大学博尔德分校保罗·M·拉迪机械工程系助理教授 Jayaram 表示：“作为一名工程师，这有点令人沮丧。经过 200 多年的艰苦工程，我们已经能够将航天器送上月球和火星，甚至更多。但令人困惑的是，我们还没有在自然环境中运动能力明显优于生物系统的机器人。”
他希望这项研究能激励工程师们学习如何制造适应性更强、更敏捷的机器人。研究人员得出结论，机器人无法超越动物的原因并不是因为某个机械部件(如电池或执行器)存在缺陷。相反，工程师们可能失败的地方在于如何让这些部件高效地协同工作。
这项追求是 Jayaram 的主要爱好之一。他在科罗拉多大学博尔德分校的实验室里养了许多令人毛骨悚然的爬虫，其中包括几只毛茸茸的狼蛛，它们大约有半美元那么大。
“狼蛛是天生的猎手，”贾亚拉姆说道。“它们生活在岩石下，能够以惊人的速度穿越复杂的地形来捕捉猎物。”
他设想的世界是，工程师们可以制造出更像这些非凡蜘蛛的机器人。
他说：“从某种意义上说，动物是这种终极设计原则的体现——一个能够很好地协同运作的系统。”
蟑螂能量
“动物和机器人谁跑得更快?”这个问题很复杂，因为跑步本身就很复杂。
在之前的研究中，Jayaram 和他在哈佛大学的同事设计了一系列机器人，旨在模仿经常被唾弃的蟑螂的行为。该团队的HAMR-Jr 模型可以放在一分钱硬币上，以与猎豹相当的速度奔跑。但是，Jayaram 指出，虽然 HAMR-Jr 可以快速向前和向后移动，但它在左右移动或在崎岖不平的地形上移动得并不好。相比之下，不起眼的蟑螂可以轻松地在从瓷器到泥土和砾石的表面上奔跑。它们还可以冲上墙壁并挤过细小的裂缝。
为了理解为何这种多功能性对机器人来说仍然是一个挑战，新研究的作者将这些机器分解为五个子系统，包括电源、框架、驱动、传感和控制。令该团队惊讶的是，这些子系统中几乎没有一个似乎比不上动物中的同类子系统。
例如，高品质锂离子电池每公斤(2.2 磅)可提供高达 10 千瓦的功率。相比之下，动物组织产生的功率约为其十分之一。与此同时，肌肉无法与许多电机的绝对扭矩相匹敌。
“但在系统层面，机器人并不那么好，”贾亚拉姆说。“我们遇到了固有的设计权衡。如果我们试图优化一件事，比如前进速度，我们可能会失去其他东西，比如转弯能力。”
蜘蛛感官
那么，工程师如何才能制造出像动物一样，不仅仅是其各个部件的总和的机器人呢?
Jayaram 指出，动物不会像机器人那样被分成不同的子系统。例如，你的股四头肌会推动你的腿，就像 HAMR-Jr 的致动器推动它们的四肢一样。但股四头肌也会通过分解脂肪和糖并结合能够感知疼痛和压力的神经元来产生自己的力量。
Jayaram 认为，机器人技术的未来可能归结为功能相同的“功能子单元”：与其将电源与电机和电路板分开，为什么不将它们全部集成到一个部件中呢?在 2015 年的一篇论文中，科罗拉多大学博尔德分校的计算机科学家 Nikolaus Correll(未参与当前研究)提出了这种理论上的“机器人材料”，其工作原理更像你的四头肌。
工程师们距离实现这一目标还有很长的路要走。有些人，比如 Jayaram，正在朝着这个方向迈进，比如通过他实验室的柔性腿关节机器人昆虫 (CLARI) 机器人，这是一种多足机器人，移动起来有点像蜘蛛。Jayaram 解释说，CLARI 依赖于模块化设计，其中每条腿都像一个独立的机器人，有自己的马达、传感器和控制电路。该团队的新改进版本 mCLARI 可以在狭小空间内向各个方向移动，这是四足机器人的首次尝试。
这是贾亚拉姆这样的工程师可以向狼蛛这些完美的猎手学习的又一件事。