起跳，機械腿！

機器腿“大個兒”的最后一跳，有可能成為今后機器人行走的標準模式。是的，如果它更節(jié)能、更簡單，并且適應多種環(huán)境，何必非要學著像人類一樣邁腿。

在卡內(nèi)基#8226; 梅隆大學的機器人實驗室里，研究生喬納森#8226; 赫斯特（Jonathan Hurst）和同事們緊張地盯著一條“腿”——它被架在一個轉(zhuǎn)軸上，活像一條驢腿，而且正像驢一樣不停地圍著轉(zhuǎn)軸傻跳，但跳得還不太穩(wěn)，不時踉蹌著，艱難地找著平衡。

這條高1 米左右、重幾十千克的家伙是赫斯特的畢業(yè)杰作，他把它命名為“大個兒（Thumper）”。幾個月來，它一直在實驗室里艱難地學習著跳躍的動作。并非不會行走，而是它的使命就是如此。這個設計來自一個更為雄心勃勃的龐大計劃——Rhex的一部分，其任務是開發(fā)出一個有6 條腿，能走、能爬樓梯、還能跑能跳的機器人。赫斯特的這條腿就是為這位還未降生的機器人準備的。

向自然學習

給機器人裝上雙腿的工作早就開始了。20 年前，MIT 著名的腿實驗室研制出了一條能獨立跳躍的自控腿。這條腿裝備了微型計算機和電源，膝蓋是它唯一的“關(guān)節(jié)”，而“腳掌”則是一個十字架。這條腿長1.5 米，能站立、伸直、朝前邁進并抬起來。

為了適應各種復雜的地形，腿實驗室的后繼者們對三種不同的運動步態(tài)——走、跑、跳分別展開了研究，更多的機器腿被制造出來，它們分別被命名為步行者（Walker）、跑步者（Runner）和跳躍者（Hopper）。很顯然，科學家們的目的，是希望這些功能最終能集合到一個機器人身上。

然而直到目前為止，即使像日本本田公司制造的“阿西莫”這樣的最新一代仿人機器人，能夠慢跑、倒走和上下樓梯，卻仍只能在平坦且沒有阻礙的地面行走，并且需要消耗大量的能量。這時，像“大個兒”這樣會彈跳的優(yōu)點就顯示出來了。

在自然界的生物中，很多昆蟲、鳥類和獸類都擅長跳躍。一只跳蚤通常能跳到15 厘米高，30 厘米遠；蝗蟲更加厲害，可跳到30 厘米高，70 厘米遠。赫斯特強調(diào)，模仿人類不是機器人的目的，而只是手段。跳著走的機器腿比像人一樣邁步的腿更節(jié)能，而且可以走得更快。如果跳蚤能跳30 厘米遠，那么以彈跳前進的機器人不用跳30 米，每次一米就足夠躍過很多障礙了。

簡單法則的勝利

在赫斯特之前，傳統(tǒng)的彈跳腿設計幾乎都很復雜：要么是電機帶動齒輪，卻不容易產(chǎn)生自然的彈跳姿態(tài)；要么是液壓或氣壓傳動，雖然能產(chǎn)生彈力，卻往往難以控制。也有一些試圖借鑒古老的彈簧。美國宇航局就曾研制過一種彈簧機器腿。赫斯特自己所在的實驗室以前也設計過一種模仿“弓”的彈跳機器腿，當“弓弦”收緊，弓體就被壓彎，從而在豎直方向上產(chǎn)生兩個力，將機器人的身體頂離地面。

和眾多前輩們不一樣，年輕的赫斯特試圖遵循一條古老的技術(shù)原則：保持簡單。首先，他只保留了唯一的關(guān)節(jié)：膝關(guān)節(jié)，它足夠保證兩個基本的自由度：向上或向下，向前或向后。而踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)都被拋棄了。其次，他要決定正確的起跳力度和角度。一旦彈跳力和方向確定，腿就能以一定的初速度跳離地面，取得一定的高度和距離。為此，他總共只運用了三個電機：一個調(diào)節(jié)腿的總長，一個控制腿的角度，第三個調(diào)整腿部的剛性。接下來，他用一連串線纜和滑輪的組合作為傳動裝置；最后，他把儲能裝置換成了一對玻璃纖維做的長條形彈簧，它組成了腿最重要的部分：肌肉。當它們在鋼纜拉動下張開時，就像一對拉滿帆的雙翼， 隨時準備著將腿送離地面。

就這樣，3 個驅(qū)動電機、5 根鋼纜和鋁滑輪連接、1 對玻璃纖維彈簧，幾乎就構(gòu)成了這條機器腿原型的全部。和那些全身纏繞了密密麻麻的電線、裝有復雜的電路板、齒輪和電機組合的機器人相比，他的設計可說盡顯簡單之美。

這條腿的靈感也許來自于現(xiàn)代復合弓，連彈簧的材料都一樣。我們知道，傳統(tǒng)弓就是一根輕質(zhì)木料配上弦，而復合弓則采用了新型的玻璃纖維，并在弓上加裝了滑輪和線纜——看上去和赫斯特的機器腿多么相似！人拉弓弦時，滑輪和線纜將力傳遞給弓體，弓體儲存和釋放彈性勢能，只不過是在水平方向，而機器腿利用的則是豎直方向。從這個意義上說，赫斯特的設計借鑒并超越了前人的思路。

能量消耗和起跳時的平衡一直是困擾彈跳機器人的難題，腿的自重越大，消耗的能量就越大，同時慣性也越大，因而也越容易失去平衡。研究表明，由肌腱和肌肉儲存和釋放的能量占日常能量總消耗的40％。而“大個兒”跳躍時消耗的能量卻與相同體重的人相當，這很大程度上也歸功于彈簧。據(jù)計算，要保證起跳時的動能，只需要75 克的彈簧就足夠了。而如果將彈簧全都換成電機，重量則要增加30 倍。新的設計無疑大大減輕了機器腿的體重，從而減小了腿跳躍時的慣性，使它不容易摔倒。再加上彈簧本身就是天然的減震器，能量和平衡這兩大難題就這樣被巧妙地解決了。

機器人的一小步

赫斯特共制造了兩條這樣的機器腿，一條在卡內(nèi)基#8226; 梅隆的實驗室，另一條在他的合作者，密歇根大學的吉策爾（Gizzle）教授那里，后者將被裝配在一個名為“梅布爾（MABEL）”的雙足機器人身上，用來進一步研究腿部運動的控制。

更多有價值的工作正在不少研究者那里悄悄進行，比如更清晰的成像技術(shù)、更敏銳的傳感器以及更快速的運算處理芯片，這將使得機器人移動身體時具有更好的“感覺”和“智能”：在最短時間內(nèi)對新的地形狀況作出判斷，為下一次起跳做好準備。有了赫斯特提供的簡單、輕便、高效率、具有良好的彈性和穩(wěn)定性的機器腿原型的幫助，相信這些都不再是遙不可及的事了。

相對于“假肢”這類現(xiàn)實應用而言，更具誘惑力的應用是在航天領域。目前，掌握登月計劃的美國、俄羅斯、中國和日本的登月工具幾乎都是帶輪子的小車。據(jù)負責中國登月機器人項目的專家透露，未來“嫦娥”登月計劃的首選也是輪式小車。然而，這并非因為車更好用，僅僅因為更合用的機器人還沒有制造出來。實際上，在外星球表面的移動速度并不是那么緊要。早有研究表明，彈跳式的移動方式在諸多方面都挺適合月球。

如果赫斯特的這 項 .意能被成功運用到探月機器人上，無疑將為各國的登月計劃開辟一條新的思路。也許今后的科幻電影里，將不再出現(xiàn)一個個笨重的多輪小車的身影，而是一只只像袋鼠一樣靈活的彈跳機器人——它們跳得足夠高、足夠遠，幾乎能適應各種未知的月表環(huán)境，看上去和飛行器沒多大差別，那將是真正兼擅空中和地面的兩棲機器人。

當然，研究者們并不希望機器人只是像袋鼠那樣能跳。他們還希望在遠距離行駛時能像汽車那樣快，在需要休息的時候可以慢騰騰的陪著散步，甚至還可以搬回家里。這才是人們想要的。但這將是下一步要解決的問題。實際上，相對于彈跳運動而言，輪子、爬行和步行的研究已較為成熟，如何把彈跳運動和這些運動方式相結(jié)合，使機器人具有更高的機動性，正是彈跳機器人最重要的發(fā)展方向之一。年輕的赫斯特對這樣的未來很有信心，“人們希望它發(fā)生，它就會發(fā)生”。