鸟类制造双足机器人比人类更出色

亚历山大·巴尔迪-斯普罗维茨见过的解剖过的鸵鸟比普通工程师还多。十二年前，这位当时在德国斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所的研究员，试图设计一种基于腿的机器人，其灵感来自鸟类生物学。问题在于，大多数生物学家并没有以工程师友好的术语来描述动物解剖学。“他们的目标不是制造机器人，”巴尔迪-斯普罗维茨指出。“作为一名工程师，这对我来说有点令人沮丧，因为我需要某些类型的信息。”

后来他遇到了莫妮卡·戴利，当时是英国皇家兽医学院的兽医科学家，她为他提供了一个博士后职位，与她的兽医学生一起工作。“这让我开始思考如何利用我们对运动和动物的理解来开发更敏捷的机器人，”戴利说。现在，兽医经验和硬机器人技术的结合已经得到了回报。这两位研究人员与巴尔迪-斯普罗维茨实验室的成员一起，创造了鸟类机器人——一种双足机器，有一天可能会探索像茂密的森林这样的地形，而轮式或履带式机器人无法移动。他们的研究结果在3月16日的《科学机器人学》杂志上进行了描述。

对于机器人专家来说，鸟类是一个特别有趣的研究对象，因为它们像人类一样，用两条腿直立行走。“鉴于现存大约有 10,000 种鸟类，而人类只有一种，鸟类在帮助我们理解双足行走如何工作方面可以提供很多信息，”哈佛大学比较动物学博物馆的生物力学研究员彼得·毕晓普说，他没有参与鸟类机器人的创造。

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这类信息对于那些想要复制双足运动的人来说至关重要。巴尔迪-斯普罗维茨解释说，这样做“非常困难，因为存在许多非常剧烈的冲击”。“这就像您要持续降落飞机一样。”当跑步者的脚撞击地面时，它会以高达跑步者体重三倍的力着地；即使是步行也会将冲击力放大约 1.5 倍。双足鸟类（或受鸟类启发的机器人）不仅要应对这种反复的碰撞；它还必须能够在单脚上保持平衡。

为了在移动时保持鸟类机器人直立，该团队设计了一种弹簧加载系统，能够快速在伸展和弯曲的肢体位置之间切换。“关键是要将脚视为在两种状态之间切换的机械触发器，”巴尔迪-斯普罗维茨说。与人类一样，鸟类也有肌肉和肌腱，它们跨越多个关节伸展，形成一个滑轮状结构，可以自动以特定方式移动连接的骨骼。但与人类腿部的肌肉和肌腱最多只能连接两个关节不同，鸟类肢体的肌肉和肌腱可以跨越最多五个关节。鸟类机器人使用一个五关节网络，模仿鸵鸟等不会飞的鸟类在野外奔跑时的腿部运动。

这种设置提供了一个优势，它允许鸟类的腿比其神经系统运行得更快。虽然神经冲动似乎是瞬时的，但它们需要一些时间才能从大脑传递到肌肉。但是，借助五关节肌肉网络，鸟类不必独立地发出每个肌肉的信号。它只需移动一个，整个系统就会启动。“这有点像木偶大师从顶部控制一切，”戴利说。对于巴尔迪-斯普罗维茨的团队来说，这种布置消除了鸟类机器人腿部对大量复杂平衡和压力传感器的需求。与类似尺寸的机器人相比，这使得机器人更纤薄、尺寸更容易扩展，并且功耗降低约 75%。

英国南安普顿大学的生物力学工程师马库斯·海勒说：“他们已经表明，通过使用这种稳定的关节，您可以找到一种非常优雅的方式来实现节能，而且您无需非常复杂的控制机制即可实现这一点。”他没有参与鸟类机器人项目。

毕晓普说，该项目是“最棒的科学”。但他认为未来的鸟类机器人设计还有改进的空间。例如，当前版本的机器人只能沿一个平面移动：向前和向后，但不能侧向移动。“所有肢体关节都是简单的铰链，因此该机器人更像是‘2.5D’，”他说（而不是完全三维）。

巴尔迪-斯普罗维茨希望在以后的迭代中解决这一局限性。理想情况下，他设想受鸟类启发的机器人在林业和可持续农业实践中为人类提供帮助（或脚）。一些农场已经使用自动拖拉机来帮助耕地和喷洒作物，但这些轮式机器人在不平坦或树木茂密的地形上几乎毫无用处。“腿式机器人可以克服轮式机器人目前受阻的那些障碍，”巴尔迪-斯普罗维茨说。这将使它们能够清除复杂的间作农场中的杂草，或者深入森林以监测倒下的树木。

此类研究也可能使生物学家和工程师更接近于理解鸟类身体的复杂性——以及我们自己的身体。“我们在 50 年前就访问过月球，”海勒说。“但是，如果今天你问我们，‘膝盖到底是如何工作的？’我认为我们仍然不太确定所有细节。”