大自然或能教我们造最好的机器人

在大自然中，优雅的工程解决方案如雨后春笋般涌现，而机器人领域的专家们正致力于揭开这些方案的神秘面纱。经过一段迷宫般的旅程，我和守卫穿越了由二战仓库改造而成的建筑，最终到达了作业台，这里美国海军正在打造一种独特的机器人——松鼠机器人。这种机器人，名为中尺度机器人运动计划（MeRLIn），它酷似啮齿类动物。等到今年春天完工时，它的重量将在9斤至20斤之间。

MeRLIn的设计理念汲取自自然。它的矩形管结构和第十代狗关节腿组成，再安装在滑动铝支柱上，仿佛融合了陆地生物的特征。旁边的深蓝色3D打印模块展示出它未来的形态：一个无头的四腿机器，大小与约克郡梗相当。当工程师们启动它进行演示时，我瞬间明白为何他们选择将MeRLIn打造成松鼠的形态。尽管它依靠小型马达和液压驱动活塞运行，但它的跳跃能力惊人。

生物学为创新机器人设计提供了巨大的灵感。看看加州大学伯克利分校的Salto，它的灵感来源于非洲跳高婴猴；或是弗吉尼亚大学的mantabot，它是根据切萨皮克湾牛鼻魟研制的。大自然的生物经过数百万年的进化，已经发展出适应各种环境的独特能力。从飞行、跳跃、行走到感知，这些生物的能力令人叹为观止。工程师们正在从这些生物策略中汲取灵感，将它们的精华融入机器人的设计中，以实现更高效、更智能的任务执行。

生物机器人的发展并非易事。MeRLIn项目首席调查员格伦·亨肖表示，他们借鉴了其他知名机器人的设计灵感，但打造一款体型更小、更灵活、更适合实战应用的机器人是一项巨大的挑战。他们需要深入理解步态功能的过程，适应不同的地形，并制造出能够学习适应和选择正确步态的机器人。

在作业台上，控制工程师乔·海耶斯向电脑发出指令，机器人的腿部开始抽动和猛然拉动。当支撑铝柱被移除后，MeRLIn的单腿能够支撑起整个身体。随后，液压控制系统接管，机器人的腿部进行高速弹跳和精准的引导。尽管在重复跳跃过程中出现了失误导致腿部断裂，但工程师们表示他们正在探索未知的领域，对于动物的运动方式还有很多不了解的地方。他们正在努力建造一些超越现有认知的机器人，让它们能够像动物一样自如地行动。

该团队还在研究水力学方面的问题，并利用自适应算法找到了良好的成功模式。这种算法能够快速检测并纠正硬件电路中的不确定性，使得机器人在未来几个月内有望实现更高级的跳跃动作。在其他研究团队中，超小型、轻量化的四足机器人也在不断发展。例如宾西法尼亚大学团队设计的Minitaur机器人，它能够通过自由摆动、直接驱动的腿部进行跳跃步态前进。当我们看到它灵活穿越各种障碍的视频时，不禁为科技的进步惊叹不已。

探索之路：蛇形机器人与生物学的交融之美

提及机器人，你可能会想到冰冷、机械的形象，但今天我们要走进一个充满生机与创造力的领域——蛇形机器人。尽管它们尚未实现完全的自动化，但已经展现出了令人惊叹的灵活性。

德先生坦言：“为一些人安装机械腿固然充满挑战，但当前的技术尚未完全成熟，成本亦较高昂。”显然，波士顿动力公司的Atlas机器人虽然功能强大，但其高昂的价格和技术复杂性让许多研究者望尘莫及。他们渴望制造更为亲民、实用的机器人，能在各种应用场景中发挥潜力。

说到蛇形机器人的创新研究，霍维·乔塞特的名字不得不提。这位卡内基-梅隆大学的副教授，以其蛇形机器人研究而闻名于世。从攻读研究生开始，他便沉浸在蛇形机器人的世界，不断从中获得灵感并推动其进步。他不仅创办了Hebi Robotics和Medrobotics两家公司，而且在《Science Robotics》期刊担任总编，可谓事业有成。其中，Medrobotics的Flex Robotic System已获FDA批准使用，展现出其研究成果的实际应用价值。

当被问及Flex Robotic System是否从蛇身上获取灵感时，乔塞特回应称机器人的蛇形设计其实源于对人类内心空间的探索。许多研究者确实通过观察蛇的行动来启发机器人的设计。与佐治亚州理工学院物理学家丹·戈德曼的合作便是如此。他们通过观察螃蟹、海龟、蟑螂等生物的运动方式，将这些生物学的原理应用到机器人的设计中。

乔塞特坦言，他的研究受到罗伯特·福尔的启发，后者是加州大学伯克利分校Poly-Pedal实验室的负责人。通过研究不同生物的移动方式，他们提取出通用的设计原则，并将其应用于新的机器人设计中。乔塞特强调：“我们并非要复制生物学，而是要借鉴其最佳的设计原则并应用于我们的机器人。”他和他的团队通过观察响尾蛇的运动方式，将其剧烈的扭动运动应用于蛇形机器人项目中，使机器人能够完成攀爬沙堆等看似不可能的任务。

工程师们有时需要生物学家的帮助来理解生物学的原理。在芝加哥大学，马克·韦斯特尼特研究隆头鱼与海军合作开发出WANDA机器人。这种机器人在水下移动缓慢但非常灵活，可用于检查船体、码头和石油钻井等。通过与生物学家的合作，工程师们能够深入了解隆头鱼如何通过扭动身体和拍打水流来推进自己，进而将这种能力应用到机器人的设计中。WANDA项目首席工程师杰森·葛德尔表示：“传统的水下设备无法像隆头鱼那样灵活操作，而WANDA则借鉴了这种能力。”

韦斯特尼特强调，新的三维摄影技术将助推研究进入新的阶段。他描绘了一幅生动的画面：“对于鱼类来说，这是关乎生存与死亡的竞赛；而对于我们来说，理解效率的提升意味着我们能获得更强大的动力。”他的团队正尝试从鱼类身上汲取灵感，尤其是在隆头鱼这一物种身上，以期将其卓越的游动能力转化为水下设备的性能提升。与此他们正充分利用博物馆的生物收藏资源，如史密森博物馆的脊椎动物标本。罗尔夫·穆勒正是利用博物馆中的蝙蝠标本，成功开发出具有蝙蝠翅膀结构的无人机。他表示：“这些样本的数量以百万计，就在那里的抽屉里，我们可以迅速获取。”他也呼吁更多的博物馆专业人员和研究人员参与此类仿生研究。

尽管这些研究充满了挑战，无论是实验室中的生物模型还是博物馆中的样本，将它们转化为实用的机械系统并非易事。韦斯特尼特提到：“工程师需要具体的规格参数，而生物学家可能只能提供解剖图。”他相信，通过不断的努力与探索，他们可以将鱼类的运动数据转化为机械动力，从而推动工程领域的发展。他补充说：“这些自然选择的奇妙过程不仅能启发我们制造更好的机器，还能使未来的自动驾驶技术大放异彩。”

回到海军仓库改造项目，MeRLIn团队正致力于解决机器人小型化的问题。但他们意识到，真正的挑战在于如何让这些机器人具备学习、记忆和适应环境的能力。亨肖表示：“我们观察到的羊羔学步的过程就是一种很好的启示。”羊羔不断调整自己的步态以适应成长的过程启发他们开发一种软件策略，能够调整机器人的步态。亨肖也在参与其他项目，开发源自生物的学习系统。他的团队展示了一段视频，展示了一台机器腿通过自我学习调整踢球的技术。他们希望将这种算法应用于MeRLIn等机器人上，使它们能够更好地适应不同的环境和任务需求。亨肖强调：“我们虽然利用数学方程进行优化，但这并不是完全模仿生物学过程。”他认为深度学习和大数据将加速这一过程的发展。他也指出硬件的局限性是当前面临的一大挑战。“我们需要更健壮、更适合小型机器人的硬件来支持这些算法的发展。”亨肖补充道。新兴市场的机遇生物学的灵感不仅为机器人提供了创新的身体平台和运动策略，还可能在经济上带来可行性。许多学者正创办公司推动其发明的实际应用。例如Eelume公司和Ghost Robotics公司等已经开始销售他们的仿生机器人产品。大型私人企业也涉足这一领域。Boston Engineering的船舶检测机器人BioSwimmer已经进入现场演示阶段。该机器人设计灵感来源于金枪鱼的设计，其目标是通过模仿生物的效率来打造高性能的机器人系统。BioSwimmer项目负责人表示生物设计的融入并不会增加额外的复杂性或成本。然而利用生物的推进策略使得机器人在使用标准动力源的情况下能够运行更长时间从而降低了运营成本并提高了效率。总的来说从生物身上汲取灵感并将其应用于机器人技术已经成为一个充满机遇的新兴领域它不仅推动了科技创新也带来了经济上的新机遇。卢弗指出：“在追求仿生机器人的道路上，尽管存在诸多技术难题，但生物灵感为我们提供了突破的机会。这些机会让我们能够直面挑战，甚至在某种程度上缓和它们的冲击，从而提升机器人的性能。以电池技术为例，尽管已取得了显著的进步，但我们仍面临一个问题：如何为小型机器人注入更多动力？如果解决系统效率问题，电池的限制或许就不会成为巨大的障碍。而生物灵感在此方面有着巨大的潜力。”尽管如此，卢弗认为目前这样的机器人仍然较为罕见，除了国防应用之外，其普及仍需5到10年的时间。

在我们迎来日常生活中不那么令人畏惧的机器人助手之前，仍有许多挑战需要我们克服。在过去的几年里，仿生学和生物学融合的趋势已逐渐明朗，我们对生物强大适应能力和执行能力的关注也日益增加。韦斯特尼特激动地说：“当我看到那些在水下的机器人时，它们的表现虽然有时显得有些笨拙，但这一切都在变得更好。因为我见证了工程师和生物学家携手合作，研发出能够自主跃入水中执行任务的机器人。这一切都令人振奋不已！”当我们见证生物灵感融入机器人的技术时，无疑将是一个激动人心的时刻。