将化石视为良友

制造一个有双腿可行走的机器人并不像看起来那么容易。为了协调所有关节的运动并实现近于真实动物在运动时的流畅过程，需要先进的技术和仔细观察运动中的动物。但是，如果我们无法确切了解动物的外观或其如何运动，毕竟它已经灭绝3亿年了，那该怎么办呢？

这是探索一种史前四足动物柏氏山行龙（Orobates pabsti）的故事，它们生活在早于恐龙时代数百万年前。其骨骼化石于2004年在德国被发现。骨骼化石保存状态极佳，几乎完整且可运动，在该地区同样也发现了与之匹配的足迹化石。这项发现帮助像我一样在洛桑理工学院仿生机器人实验室（与Tomislav Horvat和Auke Ijspeert合作）工作的工程师和杰出的生物学家团队（在柏林洪堡大学John Nyakatura的领导下），利用机器人了解该动物的运动过程。

问题是为什么山行龙的移动步态如此重要？山行龙非常适合拿来了解陆生脊椎动物（包括人类）的进化。这个动物的出现代表从水生到陆生的过渡期，还有在陆地上产卵。它们是介于两栖动物和更高等动物（如爬行动物、鸟类和哺乳动物）之间的进化谱系中。山行龙是否能够在陆地行走具有至关重要的科学意义。例如，可以为动物何时移居到陆地的争论提供新的推动力。在活体动物上进行运动实验非常困难，而在灭绝动物的身上做实验更是不可能的任务。所以我们必须要找到一种可以很客观去了解山行龙运动的方法。我们通常会将计算机模拟当成一种理想的工具，但腿部运动却非常难以模拟。山行龙的双腿在地上间歇性碰撞、摩擦接触以及移动身体时的整体动力均需要在现实世界中进行验证。因此，我们使用一台物理机器人模拟山行龙的骨骼化石。这台机器人是该化石的缩小版，换句话说，该动物体型在比例上几乎多了一倍。重量分布和其他机器人运动速度等动态相关参数已经过彻底分析，以便具有生物学和技术相关性。

通过所建造的机器人，我们能够测试一连串山行龙活着时可能的移动步态。我们观察到其他现代动物（包括蝾螈、凯门鳄，鬣蜥和石龙子），其步态类似于山行龙。我们注意到它们的步态主要取决于体型的大小、脊椎的运动范围和行走时的腿部转动。依靠这些属性可以创建一个用来比较从现代动物收集到的数据和机器人可能步态的阈值。我们测试了该阈值中一连串的步态模式，以便找出最稳定、最有效的步态，使用类似于现代动物的施力模式，尽可能贴近所留下来的足迹化石。事实证明，山行龙最有可能的步态模式是与凯门鳄非常接近。这证明其行进步态比起先前对这些史前四足动物的假设更为进步。

非洲实测

用机器人进行测试是很棒的经验。会有栩栩如生的感觉。机器控制需要解决力学反向变换和动态响应的问题以及双腿和脊椎运动的协调。为了获得流畅的运动图像，机器人内置的计算机会每秒向电机发送大约100次指令。所使用的执行器是由功能强大、高效的maxon电机驱动。机器人身上共使用了28个执行器，每条腿各5个，脊椎上则有8个。很少会有如此复杂且与生物模型非常近似的机器人，通过控制器将实现所有这些不同的运动。

我们在扩边钳机器人（“外展姿势机器人”）设计和控制方面的经验被纳入山行龙机器人的构造中。在针对蝾螈机器人“Pleurobot”进行科学评估后（请参阅2018年的《driven》杂志），我们还受到尼罗河鳄鱼和澳洲巨蜥步态模式的启发，以打造和测试我们的两个机器人。我们还与英国广播公司合作制作了非洲的自然纪录片。在这部名为《动物王国中的间谍》（Spy in the Wild）的纪录片中，可以看到我们的机器人正在尼罗河岸边的野生动物群里。这些机器人在极端的环境条件下度过两周的时间，有鉴于将来面对复杂的实际情况需要更为坚固的设计，因此这项工作也带给我们宝贵的信息。这样的情况对用于救灾的K-Rock机器人同样也适用。由于其形态，可以穿过较低的回廊；不仅如此，还具备游泳的能力，能够在充满碎片和障碍物的洪水区域内向前移动。

这些机器人的开发最初是与洛桑理工学院仿生机器人实验室合作，现在则由我个人的公司KMRoBoTa（maxon青年工程师计划项目的一部分和洛桑maxon创新实验室初创公司之一）接手，主要提高了动物类机器人耐用设计的衡量标准，同样也适用于受真正动物及其运动过程启发的机器人，同时为科学或技术应用提供巨大的潜力。

未来驱动装置

像这类机器人所展现的先进技术会使我们思考我们目前使用的驱动机构。目前的技术使我们加快脚步，但我们仍无法快速、有效地控制高惯量负载方式（如撞击、爆炸运动等）。为了增加转矩，我们使用了可以减小惯量和摩擦的齿轮箱，同时降低驱动传动带宽。从柔性机器人到高性能本体感应驱动装置，打造各种最佳尺寸执行器的新方法通常会导致笨重的外围系统、降低功率和转矩密度，或超出放电要求的高电力需求。

正如山行龙机器人用史前步态亦步亦趋地移动，我们也逐步开发出更好的驱动技术。但是，这距离我们提供给机器人期待能够实现类似实际动物的功能还相距甚远。至少是与动物肌肉的作用相比之下。事实证明，我们还有很长的路要走，但在未来十年内，驱动和机器人设计技术将会走上一个令人兴奋和颇有研发价值的道路。

作者：Kamilo Melo

参考书目

John A. Nyakatura*、Kamilo Melo*、Tomislav Horvat*、Kostas Karakasiliotis、Vivian R. Allen、Amir Andikfar、Emanuel Andrada、Patrick Arnold、Jonas Lauströer、John R. Hutchinson、Martin S. Fischer和Auke J. Ijspeert。基底羊膜动物的逆向工程运动研究。《自然》杂志第565期，351–355；2019年。*作者贡献相等。

DOI： 10.1038/s41586-018-0851-2

作者 Kamilo Melo 成长在哥伦比亚的杜伊塔马 (Duitama) 和波哥大 (Bogota)，现在则住在沃州的勒南 (Renens)。他在大学攻读电气工程和机械工程，并获得机器人学博士学位。在洛桑理工学院获得博士后学位后，现在正在自己的机器人公司KM-RoBoTa从事工作和研究。