化石好朋友

要讓有腿的機器人走路並不像看起來那麼容易。協調所有關節之間的動作，以達到接近真實動物的順暢動作，需要先進的工程技術和對活動中的動物的仔細觀察。然而，如果我們不確定動物的長相和牠們如何動作，因為這隻動物早在 3 億年前就絕種了，該怎麼辦？

這就是 Orobates pabsti 的故事，一種早期四足類動物，生活在恐龍出現前數百萬年的時代。牠的骨骼化石在 2004 年於現今的德國被發現。骨骼結構被發現時的保存狀態幾近完美，幾乎是完整相互連接，而且在附近地區也找到相符的化石腳印。這對於作為洛桑聯邦理工學院 Biorobotics 實驗室的工程師的筆者（與 Tomislav Horvat 和 Auke Ijspeert 合作），以及一個偉大的生物學家團隊（由柏林洪堡大學的 John Nyakatura 帶領）來說，無疑是很大的幫助，使我們能夠利用一個機器人重建這隻動物的步行運動。

但是，Orobates 的步行方式為什麼如此重要？若要瞭解陸地脊椎動物（包括我們人類）的演進過程，Orobates 是理想的研究對象（包括我們人類）。這種動物代表了從兩棲生活型態到能夠在陸地上產卵的陸棲脊椎動物的轉變。這使得牠們處在演化樹狀圖中的兩棲動物與更進化的動物（包括爬蟲類、鳥類和哺乳類）之間。因此，Orobates 是否能夠在陸地上行走，似乎成為必須研究的問題，以便揭開例如旱地何時最終成為動物殖民地的謎底。用活體動物做步行實驗相當困難，那麼用已絕種的動物呢？事實上來說，不可能。我們必須找出一種能客觀重建 Orobates 步行方式的方法。我們以為電腦是很好的模擬工具，但是腿部運動很難模擬。腿部與地面的間歇性衝擊、接觸摩擦和 Orobates 移動身體時的整體動力學，都必須在真實世界裡經過驗證才算有根據。這也是為什麼我們借助物理機器人重建了 Orobates 的化石。這架機器人是化石的放大版，尺寸幾乎是原化石的兩倍。質量分布和其他動態相關參數，例如機器人的移動速率，都經過徹底研究，如此才具有生物學和工程方面的意義。

這架機器人完成之後，我們就可以測試各種 Orobates 在活著的時候可能做出的步行姿態。我們觀察其他形態與 Orobates 相似的現代動物，例如蠑螈、短吻鱷、鬛蜥和石龍子。我們察覺到這些動物的步態會因牠們的身體高度、脊柱運動範圍和腿部擺動時的旋轉不同而異。這些特性構成了一個空間，讓我們能夠在其中比較活體動物的資料和機器人的可能步態。我們在這個空間範圍內測試了多種步態，試圖找到最穩定、最節省能量的步態，而且施力模式與活體動物相似並且與其足印有高匹配精度。我們發現 Orobates 最有可能使用的步態與短吻鱷非常相似。這表示，相較於一般對於這些早期四足動物的想法，牠們的步行方式相當先進。

非洲田野測試

和機器人一起進行測試是一次很棒的經驗。它看起來像是活的。要控制這台機器，必須先解決反向運動和動力學方面的問題，才能協調腿部和脊柱之間的動作。為了實現流暢的步行運動，機器人上的電腦會以每秒約 100 次的頻率將指令發送給馬達。所使用的執行器是由強大且高效的 maxon DC 馬達驅動。我們使用了 28 個執行器，每條腿 5 個和脊柱裡 8 個。很少有如此複雜且近似真實動物機器人被控制來執行所有這些不同的動作。

在打造 Orobates 機器人的過程中，我們應用了設計和控制爬行姿態機器人的經驗。在研究過蠑螈機器人 Pleurobot（請參閱 2018 年的 《driven》 雜誌）之後，我們還從尼羅河鱷魚和巨蜥的步態和形態中汲取靈感，由此建造了兩台這樣的機器人並在野外進行測試。我們與 BBC 合作拍攝了非洲野生動物紀錄片。在電視紀錄片系列《荒野間諜》（Spy in the Wild）中，我們的機器人在尼羅河岸邊被野生動物團團包圍。在為期兩週的緊張拍攝過程中，這些機器人在極端的環境條件下存活了下來，讓我們重新瞭解堅固的設計在複雜的現實世界場景中所扮演的角色。例如用於災難場景 K-Rock 機器人就是這種情況。由於它們的步態，它們可以進入狹窄的通道而且水陸兩用；它們可以在殘骸和障礙物遍步的淹水地區游泳和行走。

開發這類機器人——首先在洛桑聯邦理工學院的 Biorobotics Laboratory 和目前在我個人的公司 KM-RoBoTa（隸屬於 maxon 的青年工程師計劃，同時也是洛桑 maxon 創新實驗室裡的一家新創公司）——為動物外型機器人的堅固設計樹立了標竿；這些機器人的設計靈感都來自於真實動物和其行動能力，在科學研究或工程應用方面都具有廣大潛力。

未來的執行器

這類機器人技術的進展讓我們繼續思考目前使用的執行機構。憑藉現今的科技，我們可以快速移動，但是無法快速且有效地移動高慣性來實現例如衝撞、爆發性動作等。此外，我們為了提高轉矩而採用減速機，但慣性和摩擦會影響運動控制的透明度，因而縮減執行器的頻寬。從軟性機器人到高功率本體感覺執行器，在為不同規模應用創造更好執行器的新途徑上，通常會伴隨龐大周邊系統負擔、功率和轉矩密度降低，或是高耗電量超出耗散需求等問題。

一步一腳印，就像 Orobates 機器人踩著它的足印，我們將繼續設計出更好的執行器技術。但是，要為我們的機器人賦予期望中與真實動物一樣的能力，還有很大一段距離，至少與動物肌肉的能力相較之下是這樣。在接下來的十年裡，執行技術和機器人設計的研發之路仍然漫長，但也令人興奮期待，值得我們繼續走下去。

撰文作者：Kamilo Melo

參考書目

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。《羊膜動物步態逆向工程》（Reverse-engineering the locomotion of a stem）。《自然》雜誌（Nature）第 565 期，351–355；2019 年。*內容貢獻相等，不分先後。

DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2

本文作者 Kamilo Melo 成長於哥倫比亞杜伊塔馬與波哥大，目前居住於瑞士佛德州勒南鎮。他大學時攻讀電氣與機械工程，並獲得機器人技術博士學位。在完成洛桑聯邦理工學院的博士後工作之後，目前在自己的公司 KM-RoBoTa 裡工作和進行研究。