“猎豹”和“鱼”,带你走近国外最新发布的两款仿生机器人

在电影《机器人瓦力》中,可爱的WALL-E(Waste Allocation Load Lifter Earth Class,地球版垃圾配置承载起重机,中文名瓦力),作为地球上最后一台垃圾处理机器人,地球上早已不适宜人类生存,瓦利将地球上的垃圾处理成一个个的方块叠加起来,然后通过电视中残留的印象感受爱情。

电影照进现实,近日,FestoMIT分别发布了一款仿生机器人,前者是仿海扁虫机器鱼BionicFinWave,后者是四足机器人“猎豹3”(Cheetah 3)。

下面是德国工业控制和自动化公司Festo发布仿海扁虫机器鱼BionicFinWave,我们先来看看它令人惊艳的美感:

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这款仿生机器人在水里游起来动作十分自然、流畅,简直可以用美妙来形容。根据外媒介绍,BionicFinWave以两片柔软的矽胶(Silicone)代替乌贼肉鳍,透过左右各9个支点协助进行波浪状拍动。

同样,这款仿生机器人也贯彻了Festo一贯的宗旨——美到惊艳,却基本没啥用处。虽然其在产品介绍中,竭力说明仿生鱼的用处,诸如深海探测、数据收集等,但是并没有成熟的落地应用

MIT发布的这款“猎豹3”四组机器人,亮点在于对视觉的依赖度大大降低。不管是平地还是上楼梯,都可以“闭着眼走”。降低了机器人对视觉的依赖,第一是因为视觉信息过于嘈杂,要处理如此复杂的数据,将拖累机器人行走速度;第二MIT希望机器人能够用更多精力处理触觉信息。

MIT在新闻发布会时指出,该计划是让机器人能够前往人类无法冒险的地方——比如说进入内部发电厂深入检查。在极端恶劣的条件下——比如核辐射区,摄像头可能被射线摧毁。而依赖触觉,对外界变化的反应将会更加灵敏。目前,这款机器人也未实现落地商用。

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MIT-猎豹3四足机器人

仿生机器人,最早可以追溯至中国三国时期的木牛流马以及1893年由Rygg设计的机械马,其发展已经经历了相当长的时间。随着对于仿生机器人认识的不断深化,人们对其的研究也走向了“第四阶段”:即构建结构与生物特征一体化的类生命系统,强调仿生机器人不仅具有生物的形态特征和运动方式,同时具备生物的自我感知、自我控制等性能特性,更接近生物原型。目前大热仿生脑和仿生神经也属于此类方向。

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仿生机器人发展历程

“形似而神不似”,仿生机器人怎么了?

仿生机器人发展至今,“研究大于功效”是目前所普遍存在的一种情况。许多仿生机器人都有着概念上的强大效力,比如说波士顿动力早期非常出名的“大狗机器人”。这款能像真的猎犬一样前进、翻阅障碍的四足机器人,原本是给军方提供的战场辅助机器人,大狗在视频上看着机动力非常强劲,但是当其实际交付时,极大的噪音让其战场辅助的功效也随之湮灭。

从市面上已有的仿生机器人的表现来看,其应用并未十分理想。究其原因,笔者认为,形似而难以神似的仿生机器人,有几个问题难题仍需突破。

1.过于简单的生物机理模型

作为仿生机器人,其目的是为了能够延伸或替代生物体的部分功能,以达到便捷特定场景工作的功效。而从目前的发展情况来看,仿生机器人模型建立过于简化、研究结果不够深入等问题,使得仿生机器人样机与生物实际的功能相距甚远。

毕竟,生物体是一个相当复杂的系统,每一个动作和功能都是由骨骼、肌肉、神经系统等多方面协调的结果,并非一个简单的程序可以替代。另一方面,生物机理的研究要结合大量的试验,而现有试验条件及研究方法过于单一,无法完全满足相应生物运动规律的观测要求。

此外,落地结果不尽如人意的原因还在于跨学科协作太少。毕竟,仿生机器人作为一个再现生物机理的模式,其需要比如脑科学、生物科学等多种学科的研究成果,这也意味着想要实现对生物机理的准确建模和分析,依然有着很长的路要走。

2.难以量产的高昂价格

今年五月,波士顿动力公司展示了双足机器人Atlas的最新进展,视频中,Atlas不仅可以在户外环境下自由奔跑,而且能自主跨越障碍物。虽然Atlas进步很大,但不可否认的是,与《西部世界》中高度智能化的接待员相比,Atlas就像一个刚出生的婴儿。

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波士顿动力公司-双足机器人Atlas

而这个“婴儿”,并不便宜。作为还没有完全投入使用的仿生机器人,其研发和制作成本达数百万美金,想要做到量产和产业化依然有着相当远的距离。在落地的产品中,在工博会上展出的仿生机器人,其成本要20余万元,而就单机器人外壳成本则需2万元,综合售价也高达30万,这是一般企业难以承担的。

此外,目前我国的部分仿生机器人生产缺乏核心零部件的生产能力,这也导致了其高昂的生产成本。实际上,国内理论研究、市场应用、制造水平与国外差距不大,而关键的基础元器件,如电机、减速器、传感器则依赖进口,这大大提高了机器人的生产成本

3.无法克服的应用之殇

作为仿生机器人,隐蔽、难以分辨及被察觉是其一大优势,目前所研制的机器鱼或水下滑翔机,可以秘密潜入敌海军基地乃至抵近敌舰艇进行侦查乃至破坏。但是,在陆地和空中时由于刻意模仿生物的运动模式,对机器能源的利用过于低效,像机器鸟还存在有效载荷太小的问题,因此严重限制了其使用范围。

比如,同样是波士顿动力公司出品的网红机器人“猎豹”,被誉为“‘跑起来连腿也看不见’世界上最快的机器人”。这款机器人用四足奔跑,可以达到时速47公里。用机器的方式超越了所有哺乳动物的运动极限。但它的问题是这种速度的耗电量实在过大。如果不能连接大量电缆,其使用时长仅为几十分钟。

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波士顿动力公司-猎豹机器人

成本太高、维修太难、能耗太大、噪音太强,这一切似乎都成为了仿生机器人落地的拦路虎。也正是这样一些因素,使得许多仿生足机器人距离实际应用还有相当远的距离,而目前,我们也就只能在YouTube上看看他们的神奇表演了。

仿生机器人该如何突围?

存在即合理,仿生机器人的出现,是符合当前机器人发展趋势的。其在应用过程中虽然有诸多不够完善之处,但是其有着相当大的发展前景,仿生机器人,依然可以突出重围。

1.革新智能化材料与控制方式

显然,随着仿生机器人技术的进一步发展,传统的钢材、塑料的传统材料难以满足更为复杂的场景应用,而使用与生物性能更加接近的仿生材料,可以降低能耗、增强效率。

比如水下仿生机器人的设计中,通过采用新型的柔性材料进行仿生鱼的设计,可以更好地实现仿生鱼游动速度快、运动灵活的特点 。

在仿生机器人的发展中,如果未来可以摒弃传统的机器人控制方式,进一步深入开发研究肌电信号控制、脑电信号控制等仿生控制方式,通过神经元进行仿生机器人的精细控制,并在多感知信息融合、 远程监控、多机器人协调控制等方面获得突破,实现更加精确、适应性更高、响应更加快速的控制过程及良好的环境感知能力。

2.特定垂直化场景或成仿生机器人发力点

从目前来看,仿生机器人的应用比较广泛,各个领域都存在仿生机器人,比如军事领域、医疗领域、救援领域等等,但是其表现却各有优劣。

虽然军事领域的许多仿生足机器人为人所诟病,认为其应用价值不高,但是,在医疗、救援等特定的垂直化场景,仿生机器人的表现却出乎意料的优异。

在医疗领域,软体机器人的典型案例就是哈佛软体机器人实验室研制的人工心脏,其外体为硅胶浇筑,内部螺旋状埋设人工肌肉。人工心脏通过气动人工肌肉(PAM)控制自身运动,选择性激活或关闭人工肌肉单元,进而模拟心脏肌肉收缩规律,并使用软件进行数值仿真。

此外,软体仿生机器人因其柔软的机体、弯曲的形态和不规则的表面能够使得其在不同环境中能够更为灵活的运动。因此,将软体机器人与可穿戴设备结合用以帮助特殊人群完成生理活动。比如哈佛大学的软体机器人手套帮助病人术后恢复等。

同样,在探测和救援领域,也能够发挥一定优势。比如在地震、海啸灾害搜救过程中,仿生机器人可以借助机械挖掘搜索,提高搜救效率的同时也保障了搜救的安全性。

总之,仿生机器人发展至今,确实存在着一定的问题,形似而神不似,但是,借大自然之手开辟出仿生机器人这一想法是人类智慧的结晶,终有一天,这颗智慧的大树也一定会结满累累硕果。

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