笨拙地追求完美步行机器人

杰瑞·普拉特在视频监视器上看到了天空，就知道自己搞砸了。天空——南加州六月下午在波莫纳一如既往的蓝色天空，距离洛杉矶以东约 30 英里——不是问题。问题是，只有一个理由能在连接到一台非常昂贵、非常复杂的人形机器人头部的摄像机监视器上看到天空。机器人“奔跑者”本应敏捷地踏上一小堆煤渣砖，却仰面朝天地摔倒了。

普拉特没有看到摔倒发生，但在 2015 年 DARPA 机器人挑战赛 (DRC) 赛道周围聚集的机器人专家、记者和观众看到了。普拉特和他在佛罗里达人类与机器认知研究所 (IHMC) 的合作者来到这里，与另外 24 支队伍竞争 200 万美元的奖金。此刻，“奔跑者”僵住了，它的右腿像喜剧演员摔跤后的姿势一样朝天竖起，等待听到导演喊“咔！ ”然后重力重新发挥作用，机器人的臀部和躯干晃到一边，腿部的死重慢慢地垂到路面上。它细长的手臂平摊开来，像雪天使一样。

这不是普拉特和他的伙伴们想要的结果。他们和其他队伍，包括来自卡内基梅隆大学和麻省理工学院等顶级机器人实验室的竞争者，来到这里是为了展示他们的机器人可以做一些大多数健全的人类认为理所当然的简单事情——比如开门、驾驶机动车辆、操作手动工具和用两条腿走路。在 60 分钟或更短的时间内，DRC 参赛者必须驾驶、操纵和离开一辆小型类似吉普车的车辆，打开一扇关闭的门并进入建筑物，清理走廊中的碎片或穿过一堆乱七八糟的煤渣砖，拿起电动工具并用它切穿一块石膏板，转动一个大型金属阀门并登上一个短楼梯。许多机器人至少完成了其中的几项壮举，但它们也摔倒了。很多次。该赛事最持久的镜头注定会成为机器人像醉酒的大学生一样翻倒的精彩片段；在 YouTube 上，它已被观看 180 万次，并且还在增加。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够持续报道关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。

在比赛结束后六个月，回到他在佛罗里达州彭萨科拉的实验室，普拉特回忆起这次赛事，并向任何担心人形机器人起义的人保证。“走路，”他说，“很难。”

蹒跚学步

走路确实很难——只需观察一个两岁以下的儿童，或者与任何因受伤后正在接受物理治疗以恢复这项技能的人交谈。但是为什么这么难呢？毕竟，我们的物种已经用双足行走了数十万年；其他双足动物，如鸵鸟，已经行走了数百万年。“人们有一种直觉，如果婴儿会走路，那一定很容易，”康奈尔大学机械工程学教授安迪·鲁伊纳说，他自 1992 年以来一直在研究腿式运动并设计步行机器人。“但是婴儿可以做各种我们仍然不理解的事情。”

婴儿在掌握走路方面遇到的困难可以用一个词概括：敏捷性。迈步、平衡、保持动量、纠正错误、适应地形——这些复杂的行为中的每一个对于双足运动都是必要的，但又是不充分的。即使稍微降低其中任何一个，大多数健康成年人认为理所当然的流畅的行走行为也会很快变得笨拙、脆弱且令人疲惫。

生物敏捷性表现出相反的特征。首先，它是受控的：我们使用感官自信可靠地找到立足点。其次，它是稳健的：大多数时候我们可以适应意外并从错误中恢复。第三，走路是高效的：它不需要花费不适当的时间、精力和注意力来例行执行。换句话说，生物体应该能够同时走路和嚼口香糖。

成年人类凭借数百万年的进化（更不用说生命早期几年的持续练习）磨练出的轻松自如地完成了这三项任务。我们使用视觉、触觉和本体感觉来学习控制和平衡。我们的反射确保我们不会在每次遇到意外的小卵石时都栽倒在地，而坚硬的骨骼和周围的柔韧组织可以防止大多数跌倒。最后，我们的每一步都是机械效率和计算效率的交响曲：我们的肌肉和肌腱可以在前一刻被动地吸收冲击，并在下一刻主动产生推进力，而我们的脊髓则维持周期性的运动模式，使我们的腿朝着正确的方向移动，而我们的大脑则专注于更重要的事情。

这就是机器人行走“困难”的原因：尚无人形步行机器人被设计成能够像人类——或者鸡——那样好地结合控制、稳健性和效率。本田著名的宇航员脸型机器人 ASIMO 精确计算每一步所需的力、轨迹和动量：一种以控制为中心的方法。波士顿动力公司，其病毒式传播的视频展示了其下一代 Atlas 人形机器人在雪地森林中徒步旅行，并在摔倒后自行站起来，强调稳健性：速度和平衡高于规划和精确度。（“奔跑者”和几位其他 DRC 参赛者是由 Atlas 机器人改装而来的。）佐治亚理工学院的机器人研究员艾伦·D·埃姆斯正在研究一种名为 DURUS 的无头、无臂双足机器人，他用密集的数学方程指定了机器人身体中每一个可能的自由度，如果写出来，每个方程都会占据数百页。俄勒冈州立大学的机械工程师乔纳森·赫斯特基于一个通用物理模型构建了一个相对简单的机器人 ATRIAS，该模型也描述了地面奔跑鸟类的行为。尽管方法不同，但埃姆斯和赫斯特都对同一件事感兴趣：效率。混合策略也存在。普拉特的“奔跑者”在 DRC 中获得第二名，他使用了一种称为捕获点的方法，将类似 ASIMO 的控制与波士顿动力公司风格的稳定性相结合。每种方法都有其优点，但没有一种能够像成年人走路那样模仿效率、灵活性、速度和精确度。

人们很容易说工程师不应该费心尝试。毕竟，韩国科学技术院 (KAIST) 的首席机器人专家吴俊镐赢得 200 万美元 DRC 一等奖的原因不是因为在步行方面胜过竞争对手，而是尽可能避免腿式运动。（该机器人配备了膝盖和脚上的轮子，使其能够在跪姿状态下稳定地在大部分赛道上滚动。）莱特兄弟发明飞机也不是通过盲目地模仿鸟翼的拍动方式。

然而，有充分的理由说明制造步行机器人的愿望经久不衰。最明显的应用与泥人的传说一样古老：更强大、更好的类人身体可以完成被认为太困难、危险或单调乏味的任务，人们不愿意用自己的身体冒险。DARPA 机器人挑战赛本身旨在模拟 2011 年日本福岛第一核电站的核泄漏事故。如果机器人能够驾驶进入核电站，穿过一些楼梯或充满碎片的走廊，并转动一些阀门或开关，这场灾难或许可以得到缓解。灾难响应只是其中一个应用。办公室远程呈现和家庭协助、包裹物流和配送、安全巡逻和安全监控以及资源勘探和开采都可能通过人形机器人得到增强或自动化。“我不知道有什么现有的生物或机械形式比人形更适合陆地运动，”普拉特说。

机器人双足行走的间接好处也可能非常显著。埃姆斯说，构建能够捕捉人类运动全方位范围的机器人系统将帮助我们理解行走本身。“如果你能让机器人像人一样走路，你就能帮助很多不能走路的人，”他说。

人形双足机器人的承诺反映了人工智能的承诺：无限的通用性。如果人工智能是终极思维机器，那么人形机器人可能会成为终极“做事机器”——一种真正的通用元工具，能够到达并执行在不可预测的环境中，同时利用我们已经发明的所有有用的设备。“拥有人形机器人的唯一理由是拥有通用机器人，”吴俊镐说。“双足机器人并非在所有地方都是必要的。但在某些地方将是必要的。我们正在为这些情况做准备。”

完全控制

普拉特的 IHMC 机器人实验室看起来像是独立创客空间与小型软件初创公司的结合体。两位年轻的研究人员踩着脚轮板在开放式办公区周围滑行，互相发射 Nerf 枪。一个杂乱的、机库式的工作空间内设有一个 DRC 赛道的复制品和一个大型金属龙门架。“奔跑者”像一侧牛肉一样悬挂在龙门架上：四肢松弛，板状脚向下倾斜，脚趾几乎接触到水泥地面。实验室经验最丰富的机器人操作员约翰·卡夫启动了“奔跑者”的校准程序。机器人仍然悬挂着，开始将手臂和腿抬起到一个精确的姿势，就像列奥纳多·达·芬奇的《维特鲁威人》一样。

靠在龙门架旁边的柱子上是一根长长的白色管子，一端用胶带粘着一个微型红色 Everlast 拳击手套。它代表了当机器人处于活动状态时，人们应该与“奔跑者”保持的最小安全距离。“我们有一个官方的‘10 英尺杆’，”普拉特解释说，同时一个电动滑轮将“奔跑者”的脚降到地面。一根粗大的电缆为这个重达 386 磅的人形机器人的液压驱动器提供 10 千瓦的电力。“这大约相当于 12 匹马的力量在其血管中奔腾，”普拉特说。“如果出了问题，它打到你的脸，可能会杀了你。”

当普拉特和卡夫让“奔跑者”完成它在 DRC 上完成的一些动作时——单脚平衡、朝着煤渣砖走几步、踏上砖块并下来——它看起来既令人生畏又令人不安地脆弱。它庞大的躯干包裹在一个带衬垫的金属防滚架中，在膝盖弯曲的锥形腿上保持平衡，使机器人显得负担沉重、头重脚轻。它的推力恢复软件目前未安装，因此像样的推力可能会使其倾倒（尽管连接到龙门架的安全带会抓住它）。它的移动速度缓慢而蹒跚，就像一位老人引导着助行器穿过交通路口。但它的步伐是稳健的：当“奔跑者”将其相当大的体积推到煤渣砖顶部时，安全带明显松弛。

普拉特用于规划“奔跑者”步态的方法称为捕获点，指的是双足动物的脚必须到达地面上的位置才能阻止其身体摔倒。当有人快速迈步或跑步时，每一步的捕获点不需要提前精确确定，因为双足动物在迈出下一步之前平衡的时间相对较短。然而，当一个人缓慢行走或跨过不平坦的地形时，“每一步的落脚点都更加关键，”普拉特解释说。“如果你偏离了几英寸，你就会摇摇晃晃地到处乱晃。”

想象一下用石头过河而不会掉进去。一种方法是快速“向前倒”一步一步地大致落在石头上的正确位置，以保持你的平衡和轨迹。另一种方法是缓慢而小心地移动，将你的脚放在恰到好处的位置，以便在每一步安全地转移你的体重。

普拉特认为，“奔跑者”实时感知自身在空间中的位置的能力——通过骨盆中的惯性测量单元和每秒重新计算平衡和方向 1,000 次的软件来实现——远远超过人类。但是人类拥有的而“奔跑者”没有的是轻便、灵活的肢体，能够快速移动以纠正飞行中的错误或干扰。普拉特描述了他和儿子们玩的一个游戏，这个游戏清楚地表明了这一点。“我们会在街上走，突然我会大喊‘推力恢复！’并推他们一把，”他笑着说。如果普拉特对“奔跑者”开同样的玩笑，即使它拥有精密的推力恢复程序和 12 马力的液压关节，机器人也很可能会直接摔倒在地。

人体优于机器人的另一个优势是跌倒后能够重新站起来——或者至少，不会摔成碎片。“你降落在大型重金属部件上，因此很难制造出能够经受住跌落的东西，”普拉特说。

因此，如果 DRC 上的双足机器人走路更像紧张、虚弱的老人，而不是可怕、敏捷的终结者，那是因为它们的身体迫使它们这样做。“[工程双足机器人] 的瓶颈根本不是计算能力。而是硬件，”普拉特说。“如果我们能够用具有与肌肉相同属性的东西制造机器人”——一种轻便、节能的驱动器，能够像强大的电机一样工作，同时又像被动弹簧一样工作——“我认为它会非常好。”

弹簧-质量模型

赫斯特的步行机器人 ATRIAS 像蝙蝠一样瞎，像石头一样笨。它甚至没有头——只有一根金属杆从其箱形黑色胸腔中伸出，赫斯特和他的研究生用它来引导机器人在俄勒冈州立大学的格拉夫大厅像一只斩首的机械鸡一样昂首阔步。然而，尽管存在这些明显的缺陷，ATRIAS 却可以完成一项令人惊讶的类人壮举，这是 DARPA 比赛中任何路径规划、捕获点计算的双足机器人都无法做到的：它可以绊倒意外的障碍物，并继续行走，仿佛什么也没发生过。与大多数双足人形机器人蹒跚的步法相比，ATRIAS 就像吉恩·凯利表演《雨中曲》。

“我们将这款机器人设计为一种科学工具，目的只有一个：研究步行背后的基本原理，”赫斯特说。换句话说，不要指望看到 ATRIAS 像鸵鸟一样闯入未来的任何灾难现场。但如果他对双足步行的理解是正确的，我们可能不必等待有人发明人造肌肉，机器人就能像动物一样稳健高效地行走。

ATRIAS 代表“假设机器人是一个球体”，这是一个物理学界的玩笑，基本上意思是“保持简单，笨蛋”。它的行为基于一种关于腿式运动的数十年历史的理论，称为弹簧-质量模型。根据该模型，描述由骨骼、肌肉和肌腱组成的步行者所需的所有变量都可以抽象为仅两个要素：连接在单个点上的身体质量和一个配备弹簧的无质量（在现实世界中，尽可能轻）腿。

点击或轻击放大

弹簧-质量模型只不过是一个顶部带有重物的计算机控制的弹簧杆。但该模型为机器人腿式运动的工程设计提供了数十年的信息，其中最著名的是麻省理工学院腿实验室，创始人兼首席研究员马克·雷伯特在 20 世纪 80 年代末和 90 年代初对跳跃和奔跑机器人进行了开创性的研究，之后离开学术界创立了波士顿动力公司。（赫斯特和普拉特在创立各自的腿式机器人实验室之前也曾在腿实验室工作过。）

弹簧-质量模型很重要，因为它为步行的一个重要特征——动态稳定性——提供了基础之一。动态稳定的步行机器人以与人类相同的方式保持平衡：通过在每一步中抓住自己，防止自己摔倒。如果干扰或错误中断了它的步幅，并且步行者无法及时纠正步态以支撑其质心，则步行者将摔倒。“人类的质心离地面约 [三英尺]，这意味着你必须在不到三分之一秒的时间内将腿摆放到位，以避免严重摔倒，”普拉特解释说。

与此同时，静态稳定性采取了相反的方法：它不是维持受控摔倒的状态，而是将步行“视为静止站立的扰动”，鲁伊纳说。每一步的路径和动量都必须预先精确计算，以便机器人的质心在其步幅的每一点都保持持续平衡。早期的人形双足机器人使用静态稳定的行走方式，使机器人的刚性肢体更易于控制，并允许它们——至少在理论上——在任何时候冻结在半步中而不会摔倒。当代人形机器人，包括参加 DRC 比赛的机器人，仍然使用这种方法的变体，称为准静态稳定性，这需要类似的有意的、平脚的步法来保持平衡。

准静态双足步行者需要大量的耗能驱动器和计算能力来控制其僵硬、屈膝的步态——而且它仍然非常容易受到干扰。但是，基于弹簧-质量模型的动态稳定双足机器人，如 ATRIAS，将其大部分工作卸载到其腿部与地形之间自然发生的物理相互作用中。“如果你在崎岖不平的地面上行走，你可以将腿摆出去，随意放下，它会自动适应它遇到的任何东西，”普拉特解释说，他在 20 世纪 90 年代末在麻省理工学院腿实验室设计双足机器人时也利用了类似的动力学。

当与强大的髋部电机和可以被动摆动（无需电机推动）的腿部结合使用时，弹簧-质量模型可以产生一种高效的步态，这种步态在受到干扰时具有惊人的弹性。赫斯特使用“类似动物的性能”一词来描述 ATRIAS 步态的节能性和敏捷性的结合。事实上，当他跟踪机器人的运动并随着时间的推移绘制数据时，得到的曲线与人类和几种地面行走鸟类的曲线非常吻合。

赫斯特说，这种对应关系意味着他用来设计 ATRIAS 身体和行为的物理学原理可能与自然双足行走的一些基本原理相同。“我们没有对 ATRIAS 进行任何生物模仿，”他断言。“它的腿看起来一点也不像鸡或人的腿。但我们看到的行走模式在底层是相同的。这告诉我我们找到了一些东西——而且它可能不需要更快的驱动器或更多的计算。”

边走边适应

吴俊镐的 DRC-Hubo+ 可能在 DARPA 机器人挑战赛中赢得了 200 万美元的一等奖，但环顾吴俊镐的实验室证明，他的成功并非一蹴而就。HuboLab 坐落在韩国大田市 KAIST 校园内一个像掩体一样的工作室中，装饰着吴俊镐在过去 15 年中逐步改进的人形机器人的过时迭代版本。

它们像过时的西装一样悬挂在小型龙门架上：最初的 Hubo 设计，一个儿童大小的 ASIMO 复制品，是吴俊镐在 2004 年被韩国政府拒绝资助后，利用同事研究预算的剩余物资拼凑而成的；一个确实在吴俊镐成功证明概念后获得资助的版本，其灰色外壳现在被剥去，其金属内脏像机器人人体世界展览一样暴露出来；一个黑色的、无头的 Hubo 原型，吴俊镐建造它是为了压力测试他的最新设计，以应对 DARPA 模拟灾难场景的严酷考验。DRC-Hubo+ 本身更像是一个真人大小的 GoBots 玩具，闪闪发光的红色和蓝色装饰点缀在其纤细、几何、拉丝铝制机身上。与那个玩具非常相似，Hubo 的秘密武器不是大脑或力量，而是以令人惊讶的方式改变其人形形状的能力。

吴俊镐举止愉快，略带古怪。他很乐意表演一番——尤其是在收到 DARPA 的 200 万美元支票之后。二月初的一天，吴俊镐和他的研究生为来访的法国技术官僚代表团、KAIST 校长和一位韩国军方官员进行了 Hubo 演示。前一周，他陪同 Hubo 出席了在瑞士达沃斯举行的世界经济论坛会议。

鉴于 Hubo 的赞誉和名气，人们可能会认为吴俊镐对他的机器人的步行能力充满信心。相反，他兴高采烈地讲述了 Hubo 在 DRC 准备阶段摔倒的频率——“大约每月一次，但大多数情况下损坏并不严重，”他说——并公开承认他的获胜策略取决于尽可能避免双足运动。“如果步行在实验室中 99% 的时间都有效，那么现实中的 1% 总是出现问题的地方，”吴俊镐说。

吴俊镐最初打算让 Hubo 像“奔跑者”一样走过 DRC 赛道。但在测试过程中遇到反复困难后，郑虎李——一位机器人专家，也是 Rainbow 的联合创始人，Rainbow 是 HuboLab 的一家衍生公司，负责将该机器人及其技术商业化——说服吴俊镐采取更保守的策略。吴俊镐没有将他们的机会押在 Hubo 不完美的步行上，而是提出了他称之为“多模式移动性”的解决方案。另一个想到的词是“任何有效的方法”。

本质上，吴俊镐将 Hubo 变成了一个变形金刚。在平坦的地面上，机器人折叠成跪姿，并依靠固定在其膝盖和脚上的轮子四处行驶。Hubo 的躯干也可以独立于其骨盆旋转，这使得机器人能够将自己扭转到可以最大限度地提高其有效性的巧妙位置。例如，当面对 DRC 充满碎片的走廊时，Hubo 没有浪费时间——或冒着跌倒的风险——通过从直立位置手动移除障碍物。相反，它跪在轮子上，将上半身旋转 180 度，并使用其脚底的平面——现在“向前”——作为冲压器，当它快速安全地向前滚动时，将碎片推出其路径。

吴俊镐的独创性创造了一种腿式人形机器人，其性能结合了精确性、稳健性和效率，同时又忠实于 DRC 规则的字面意义。但是它的精神呢？这取决于你问哪位机器人专家。“我不喜欢那样，”佐治亚理工学院的埃姆斯谈到 Hubo 的变形时说。（他的 DURUS 人形机器人没有参加主挑战赛道，但它确实赢得了机器人耐力测试，这是一项超高效双足步行的副业比赛。）

卡内基梅隆大学的托尼·斯滕茨的 CHIMP 机器人在比赛中获得第三名，它避开了步行，而是选择依靠配备坦克履带的四条腿滚动，他有不同的看法。“你必须审视问题，并提出解决问题的最佳设计，综合考虑所有因素，”他说。“如果你只是出来 [到 DRC 赛道] 并说解决方案必须具有双足形式，那么我会说你极大地限制了你的解决方案——并且你可能不再拥有最佳解决方案。”

吴俊镐表示同意，即使他和 DRC 的任何其他人一样看好人形双足机器人的实用性。“如果 [人形] 步行在 100% 的时间内都是完美的，我们就不需要多模式移动性，”他说。他与普拉特一样认为硬件是阻碍人形机器人的原因；他计划在未来两年内从头开始建立对驱动器的理解。尽管如此，吴俊镐补充说，“我不会等待创新的驱动器——所以我们必须依靠电动马达、液压或气动装置”来提高 Hubo 的效率。如果这意味着设计巧妙的运动技巧来弥补人形机器人在两条腿上的不完美表现，那就这样吧。

几乎像人类一样

二月份，波士顿动力公司发布了一段新人形机器人的视频，展示了它几乎完成了所有 DRC 比赛中的机器人在努力完成或未能完成的事情。这款新机器人——几支 DRC 队伍使用过的 Atlas 人形机器人的重新设计版本——可以接近一扇门，打开它，并以轻快、类似人类的步伐穿过它。它走下不平坦的堤岸，即使它的脚在雪地上来回滑动，也能重新获得平衡。它自信地从下蹲姿势降低和抬起身体，同时抓住一个 10 磅重的重物。它面朝下摔倒在地——很重——没有摔碎或从破裂的液压静脉中喷出液体（正如一位不幸的 DRC 参赛者在 2015 年令人难忘地做到的那样）。也许最令人印象深刻的是，它将自己推到脚上并重新站了起来。

这次演示对人形机器人社区的冲击就像深蓝在国际象棋比赛中击败加里·卡斯帕罗夫一样。鲁伊纳称之为“游戏规则改变者”。埃姆斯和赫斯特分别认为它是“壮观的”和“真材实料的”。普拉特称赞其“非凡的”运动范围，尤其是“它可以完全蹲下”。他补充说，“我甚至都做不到。”尽管如此，他们都认为稳健的双足行走尚未“解决”，不仅仅是因为波士顿动力公司拒绝分享其创造背后的科学或工程细节。“这是最新的技术水平，”埃姆斯说。“他们展示的是一种解决方案，而且他们的解决方案显然比大多数其他解决方案更好。但这不是唯一的解决方案。”（波士顿动力公司没有回复《大众科学》多次提出的采访请求。）

对于这些研究人员来说，同样的问题仍然存在。机械驱动器如何才能同时提供强大的扭矩和利用被动动力学？什么控制算法可以让机器人管理小心翼翼地走上楼梯和快速迈上土堆之间的差异？系统的工程设计如何在效率方面扩大规模，在价格方面降低？“这没有摩尔定律，”普拉特说。

因此，解决双足行走的工作仍在继续。赫斯特正在开发 ATRIAS 的继任者，它已经在模拟中可以奔跑、行走、自行转向和从地面上站起来。埃姆斯计划在 2017 年的某个时候让 DURUS 离开跑步机并在佐治亚理工学院的校园周围行走。埃姆斯和普拉特正在为 NASA 的 Valkyrie 项目做出贡献，该项目旨在开发一种人形机器人陪伴宇航员前往火星；与此同时，鲁伊纳正在开发一种名为 Tik-Tok 的双足机器人，他声称该机器人将使用廉价的、现成的组件来展示类似人类的效率和性能。

“我们曾希望在一两年内制作出像 [波士顿动力公司] 那样的视频，所以他们确实抢走了风头，”鲁伊纳承认。“有一分钟我想，‘糟糕，那我余生该做什么？’但后来我想到了莱特兄弟。他们的发明不是终点——而是起点。飞机动力学理论是后来才出现的。Atlas 是迄今为止任何人制造的最令人印象深刻的双足机器人。但这是否意味着没什么可做的了？不。这开启了一个全新的思想世界。”