步行機器人正在大步邁入市場

這些機器人將能夠去人類能去、現有機器人無法到達的地方

最近出現在福特汽車公司底特律范戴克變速箱工廠的兩個機器人不僅看起來可愛，還是非常實用的工作機器人，它們也許為未來自動化提供了發展方向。

安排機器人進入工廠很難說是新點子——早已有大約240萬名機器人在全球各地的工廠里工作。但其中大多數機器人都僅是固定在地面上、能夠完成焊接和噴漆工序的巨大機械臂；極少數有移動能力的機器人依靠輪子快速移動，完成運送任務。而范戴克工廠的新型機器人與這兩類機器人迥異，它們能像人類一樣行走。

這對亮黃色的四足機器人的模樣有點像狗，一只被昵稱為“路威”（Fluffy），另一只被昵稱為“斑點狗”（Spot，這也是機器人制造商波士頓動力取的正式名字）。這對機器人出現在工廠里，不是為了逗樂人類員工，而是要完成一個重要任務，福特公司希望此舉會為公司節省大筆開支。“路威”和“斑點狗”的后背上裝有激光掃描儀，能在20萬平方米大小的工廠里一邊奔跑一邊收集數據。這些數據將會用來為整個制造流程構建詳細的計算模型，這種模型被稱為“數字孿生”，福特公司的工程師會利用它來構想如何重新安排生產線。

多年以來，隨著工廠引進新設備以及設備需要移動，工廠平面圖會過時。人工測量變速箱工廠會耗費數周時間，花費大約30萬美元。福特公司認為，“路威”和“斑點狗”既能爬樓梯，又能匍匐進入人類很難到達的區域，這將節約一半的時間，用“部分開支”就可完成測量工作。盡管福特公司此次是租賃了這兩個機器人，但波士頓動力目前已經將它們對外銷售，一個機器人要價7.5萬美元。以這個價位而言，它們執行一些和在范戴克工廠所承擔任務相似的工作，很快就能收回成本。

“斑點狗”系列是波士頓動力公司第一種商品化的步行機器人。其他公司和研究團隊正逐漸推出更多步行機器人，其中有些是四足機器人，有些是兩足機器人。兩足機器人比四足機器人更加靈活，如果同時配備了手臂，更適合執行撿拾物品或操作控制開關之類的任務。所有這些步行機器人有個共同點，那就是它們代表了機器人移動能力向前邁出了一大步。

四條腿很好，兩條腿更好

假如機器人要模仿人類去完成操作性任務，它們需要能夠以人類的行走方式來移動。加州理工學院的機器人學專家亞倫·埃姆斯（Aaron Ames）表示，滾動式移動對于探索地球大部分地方都毫無用處，只要問問用輪椅的人就能明白。他說：“我們現在能讓機器人行走得十分好。”然而，這樣的機器人模樣有點古怪。當埃姆斯博士實驗室里的一個兩條腿的機器人邁步走出實驗室時，加州理工學院的校園立馬騷動起來。但人們未來需要適應這些兩足機器人，因為有更多兩足機器人在不斷涌現。

問題依然存在，急需改進。喬納森·赫斯特（Jonathan Hurst）是俄勒岡州奧爾巴尼的“敏捷機器人”（Agility Robotics）的聯合創始人，他說：“我們一旦達成目標，將會有數百萬名步行機器人出現在我們生活中。”他的公司不久前發布了兩足機器人Digit，這種機器人有兩條手臂，模樣像鴕鳥。目前Digit的售價是25萬美元，但這是早期價格。隨著更多步行機器人投入工作，機器人的研發會加速，產量也會提升，使得Digit之類機器人的成本下降到數萬美元。

這個過程類似于無人飛行器的出現。無人飛行器曾經要花費數百萬美元，用途有限，直到科研人員弄懂如何用多軸協調方式讓小型飛行器懸浮于空中，情況才有了轉機。這些多軸飛行器能輕松自主地飛行于空中，每臺機器的售價跌落到500美元或更低。如今多軸飛行器用于各種各樣的場合，從攝制電影、航空測量到遞送包裹等。機器人研究領域的部分人士認為，步行機器人已經開始一條相似的路徑。

有什么改變？埃姆斯博士解釋：“我們現在更深入理解機器人運動背后的數學原理。”老派的步行機器人（譬如，日本汽車制造商本田公司于2000年揭曉的著名人形機器人“阿西莫”）的步態僵硬，它們行走時拖曳腳步，先將一只腳放到前方，校驗平衡后再移動另一只腳，再一次校驗平衡，以此類推。埃姆斯博士說：“人類行走時不會那么做，你的腳只需落地和繼續。”

邁步向前！

人類步行的方式有時被生物力學家描述為受控下墜（controlled falling）。邁步需要擺動一條腿并放下，隨著腿上方的身體向前移動，進行下意識的細微修正來維持穩定。每條腿都像彈簧一樣運作。這些運動能夠預測，而且，最近科研人員已經找到如何為這些動作進行數學建模的方法。加上操縱機器人四肢的更好制動器和更精確測量事物的傳感器，這些數學模型有可能在機器人上再現這種步行方式。要做到這點，不需要任何時髦的機器學習或人工智能方法，只需要老式的計算，埃姆斯博士補充道。

阿西莫的步態和新步行機器人的步態差別很大。阿西莫的粗壯雙腿看起來很沉重，而Digit自信地用一對細長的下肢邁步，行走時會開心地搖擺手臂。波士頓動力公司制造的試驗型人形機器人“阿特拉斯”（Atlas）能力更強。阿特拉斯可以步行、奔跑、跳躍，甚至能后空翻。阿西莫與許多名人合影，但它從未批量制造。本田公司在2018年停止了該項目，轉而將資源集中到更加“務實”的機器人上，譬如為老年人服務的可移動設備。

許多人易于推斷這些新的步行機器人只是簡單模擬自然，但事實并非如此。四足是個穩定平臺，是設計步行機器人的良好起點。在協調好機器人四肢的移動、獲得良好平衡、裝備上視覺系統（讓機器人弄明白該落腳何處）之后，“斑點狗”的設計師最終獲得一個與狗類似的機器人。波士頓動力公司商務拓展部門的負責人邁克爾·佩里（Michael Perry）說，那并不讓人吃驚，因為大自然開發高效的設計方案已有很長的時間。

另一個設計藝術如何演化成模擬自然的范例呈現在Digit的設計過程中。Digit像鴕鳥一般的外表源自“凱西”（Cassie），后者是“敏捷機器人”公司出售給許多科研團隊的兩足機器人。凱西的開發者必須尋找方法，阻止機器人的一些制動器之間相互影響。結果，他們的解決方案是構建外表酷似鳥的兩條腿。

“凱西”隨后獲得兩條手臂，并演化成Digit，而這是工程師打算解決另一個問題的成果。當機器人向前伸出一條腿，凱西的身體稍微轉動，假如它行走得太快，有時會跌倒。在大自然中，一些動物在快速運動時用尾巴改進平衡。為了改進移動性能，敏捷機器人公司的科研人員借用了這個點子。他們在機器人的軀干上加裝一對酷似尾巴的附枝，機器人軀干的兩側各有一根；接著將這對附枝改成一對手臂，萬一機器人摔倒，這對手臂能撐住機器人，幫助它再次起身。

手臂也能完成其他有用的任務，譬如在倉庫里搬箱子。Digit能搬起重達20公斤的東西。赫斯特博士認為，配送貨物很可能成為步行機器人的重要用途，尤其在當前，由于COVID-19而實行居家限制，電子商務蓬勃發展。大多數倉庫都是針對人類勞工設計，而擁有雙腿、和人類以相似方式移動的步行機器人會很好適應倉庫的工作。

進一步開發后，步行機器人會承擔更多復雜任務，譬如送貨到各家各戶的快遞工作。福特公司正在用一臺乘坐在廂型車后車廂里的Digit機器人進行這方面的探索。雖然早已有用輪型機器人送貨的實例，但給千家萬戶送貨是個棘手任務，可能涉及爬樓梯或登上臺階。赫斯特博士評論道：“要想把包裹送到大多數家庭的門口，需要用腿爬樓。”

尚不清楚這項任務具體要如何來完成。除非機器人承擔一項預先編制好的任務，不然大多數可移動機器人都需要操作員來提供基本指令（譬如前進到某個地點）。接著機器人自行步行到那個地點，沿途避開障礙物，登上或走下各種臺階和樓梯。這意味著挨家挨戶送快遞的步行機器人可能需要社區的電子地圖來知道前行的道路和避開的障礙。此外，還涉及大數據的獲取工作，就像那些用大數據為無人駕駛汽車建構電子地圖的工作。同樣，在一家工廠或倉庫里，在放手讓步行機器人獨立工作之前，步行機器人需要人類做示范。

實現完全自主的機器人還有很長的路要走。然而，許多機器人學家認為，他們總有一天會實現目標或至少接近目標。

自我決定

實現完全自主的機器人（走進未知環境和決定自己做什么事）還有很長的路要走。對于這樣的設備，一項最困難的任務是自主照料居家人士。機器人需要能夠做出無數復雜的決定，譬如讓病人服用藥物，決定是否讓陌生人進屋，或者知道何時該出門遛狗。然而，許多機器人學家認為，他們總有一天會實現目標或至少接近目標。

與此同時，目前研發的新一代機器人會繼續加強機器人的能力。對于波士頓動力公司，佩里先生估計，除了勘探測量，“斑點狗”還會在質檢和保養工作中找到用武之地。譬如，這樣的機器人能進入變電所之類的危險環境。

“斑點狗”的下一個技藝不再是僅僅尋找問題，而是要采取行動（譬如開合開關或轉動閥門）解決問題。它用一條操作臂就能完成這個任務，而這讓它看起來不那么像狗，而更像長脖子的腕龍。這種構造的機器人原型已經在波士頓動力公司的辦公室里跑來跑去，為員工打開和關上房門。

這個版本的“斑點狗”機器人預計在2021年上市銷售。至于波士頓動力公司的人形機器人“阿特拉斯”，當前的造價還太過昂貴，無法推出商業化版本。但佩里先生說，從這個機器人身上獲取的經驗會在未來幫助提供建造其他機器人所需要的工程設計方案。

未來的一些步行機器人也許不會部署在地球上。加州理工學院的埃姆斯博士認為，有腿的機器人會在行星探索上擁有優勢——譬如越過難走的地形，進入洞窟。與此同時，他和其他科研機構的一些同行在利用機器人移動的新知識來為那些無法輕松行走的人開發輕質義肢，為那些完全無法行走的人開發動力骨骼。在這個不為輪子打造的世界里，此舉帶來令人可望又不可及的前景，希望總有一天在步行機器人的幫助下，這個世界能消除輪椅。

資料來源 The Economist