四足机器人的进化 只为适应复杂地形

当代的机器人技术已经发展到了令人惊叹的地步，特别是在装备了运动系统之后。如何让这些机器人在复杂多变的地形中自如行动，一直是科研人员面临的挑战。来自挪威奥斯陆大学的科学家们对此进行了深入研究，并开发出了一款新型四足机器人——Dyret，它能在遇到不同表面时调整自己的腿长和行走步态，显著提高其能源效率和在不可预知环境中的表现。

一、走进Dyret的世界

Dyret，一个在挪威语中意为“动物”的机器人，是首个能根据不同条件自动改变形态的四足机器人。借助传感器、摄像头和人工智能的混合使用，Dyret能识别不同地形，并机械地调整腿的长度，进而优化其步态以适应特定表面。

该项目的负责人尼加德表示，这种机器人能够不断通过学习来适应其所行走的环境。研究人员首先训练机器人在碎石、沙子和混凝土等典型地形上行走，然后让它挑战从未涉足的草地。尽管草地看似不是最大的挑战，但任何不同的地形对长腿机器人来说都是全新的考验。

这种类似狗的变形机器人能够动态地调整其四只腿的长度。研究人员在挪威和澳大利亚进行了测试，帮助Dyret学习如何延长或缩短四肢。计算机科学家尼加德表示：“我们已经将机器人带到户外，让它学习适应环境，它能够使用人类赋予的智能。”

二、四足机器人的复杂进化之路

与陆生动物不同，机器人的四肢是可以伸展的。经过数百万年的进化，人类以及其他一些动物拥有了惊人的敏捷性，可以在奔跑过程中识别前方的障碍物。对于机器人来说，关节的伸缩功能是一种创新而非自然进化。即使是最先进的机器人，如波士顿动力公司的Spot机器狗，也无法轻松地在复杂的地形中导航。使机器人拥有伸缩支腿的能力不仅可以提高它们在不同表面上的稳定性，还能提升能效。不当的移动会消耗大量电池电量，甚至可能导致机器人晃动并造成伤害。

Dyret机器人的进化也经历了许多调整。研究人员首先构建了实验沙箱来训练Dyret的平衡能力。实验室内的地形包括混凝土、砾石和沙子，这些地形代表了机器人在现实世界中可能遇到的各种挑战。每个地形都有其独特的特性，例如混凝土的平整、沙地的多变以及砾石的坚硬。尼加德说：“这些地形示例展示了机器人形态与环境之间的相互作用。”

Dyret机器人有四个可以伸缩的腿，顶部有一个手柄供研究人员操作。机器人的腿可以在两个位置延伸：膝盖上方的“股骨”和膝盖下方的“胫骨”。这使机器人可以根据地形调整其支腿的长度。研究人员通过观察机器人在不同地形中的运动效率来调整这些配置。具体来说，他们关注机器人的“移动成本”，即实施移动所需消耗的能量。这对于昂贵的机器人来说至关重要。研究人员使用深度感应相机来监测机器人的运动过程并收集数据。相机和力传感器一起为Dyret提供了复杂的视觉系统，使其能够随时监控行走过程和效率。当机器人检测到地形变化时，它会相应地调整自己的步态和肢体配置。研究人员发现机器人在不同地形中的最佳肢体配置经验。在混凝土上行走时，机器人的腿较长时效率最高；在沙子中行走时，只要胫骨较短就能有效伸缩；在砾石上爬行时，Dyret的最佳表现是整体肢体较短以保持稳定性。较短的腿使机器人在较松散的物料上施加更大的力量而较长的腿则能提高在较光滑物料上的行走速度。所有这些训练经验都为机器人提供了针对特定地形调整自身步态的能力为未来的机器人技术打开了新的可能性。在奥斯陆大学的实验室里，DyRET机器人的身影展现出了未来技术的魅力。作为一种能够动态适应环境的机器人，DyRET不仅在混凝土道路上如鱼得水，还能挑战更为复杂的草皮地形。起初，它的步履可能有些蹒跚，但在不断的尝试与学习中，它逐渐掌握了行走的艺术。它能够通过摄像机注视地面，利用力传感器感知脚下的物体，将这些数据与之前的混凝土外观信息进行比较。这一过程使得DyRET能够在行走过程中不断调整步伐，优化行走效率。

随着技术的不断进步，研究人员已经能够赋予机器人更强大的感知能力。在过去的十年里，机器人专家通常会在模拟环境中训练四足机器人。虚拟世界中的机器人可以模拟数千次的行走尝试，并通过强化学习技术来优化其行走方式。模拟环境无法完全复制现实世界的复杂性，因此通过模拟获得的知识并不总是适用于现实场景。在这种情况下，DyRET的实地训练显得尤为重要。尽管实地训练面临着速度慢和易损坏的挑战，但它为机器人提供了真实的感知机会。

DyRET的行走方式虽然目前看起来仍然有些缓慢，特别是在与Spot等高级四足机器人比较时。研究人员正在积极改进硬件和底层算法，以期让其他变形机器人也能采用这一系统。想象一下，当硬件和软件能够协同工作，机器人就能够更好地感知地形并调整自身行为和体态。这不仅能让DyRET在多种地形上自如行走，更是机器人技术发展的未来趋势。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的机器人将能够更好地适应环境、感知世界，成为我们生活中不可或缺的伙伴。