足式机器人的过去、现在和未来

（本文首发于《少年时50：解构机器人》）

“机器人”在当代社会中的作用越来越重要。这个概念最早在科幻小说中被提出时，特指的是由机械结构和电子元件构成的机电系统，并且这种机电系统具有人类的形态，像人类一样具有行动和思考能力。但是直到今天，科学家和工程师们还并没有造出和人类形体、功能完全一致的机器人，大家公认这是一个非常困难而且在现有技术水平下难以实现的目标，还需要很多的探索和努力。在朝着这个目标努力的过程中，“机器人学”成为了一个专门学科，很多学科内积累出来的技术也被应用在了其他的机电系统制造中，比如工业上常用的自动化机械臂、可以自动驾驶的轮式平台等·。因为历史原因，这些机电系统也被称为“工业机器人”、“轮式机器人”等，因此“机器人”这个概念被泛化为一系列能够自动化执行某些任务的机电系统的统称。甚至现在我们把有些自动化的纯软件系统也称为机器人，比如聊天机器人、爬虫机器人等。

虽然机器人包罗万象，但是具有人类形态、像人一样运动和思考的“人形机器人”，依然是机器人学的终极目标，另外具有四足动物或昆虫的形态、像这些生物一样运动的“多足机器人”，也被认为有同等重要的意义。这两种机器人统称为“足式机器人”，他们虽然形态不同，但是运动的驱动方式（液压系统或者电机）、控制建模的过程（都是在外力影响下的多刚体系统）都基本相同。

有的观点认为，汽车，作为人类社会中最重要的机电系统之一，能够以超过人类运动速度数十倍的速度前行，这说明了我们没有必要去制造仿照人类和动物能力的机器人。这种观点确实有道理，因为汽车的轮子是非常高效的运动系统。但是轮子之所以高效，是因为人类花费了大量的时间和精力铺路，汽车在平整的路面上速度可以很快，但是在起伏较大的自然地形上，效率会极其低下甚至无法通行。而足式机器人的优势就在于对多种地形的适应性。

特别是对于如月球、火星等地外行星的复杂地形，足式机器人会显得更有优势。目前对于月球、火星的探索任务中，各国都使用轮式的探测器进行探测，但是由于轮子的限制，探测器只能在平原地区行动，这样探测器就很难接触到山地区域未被风化的岩石和远古地层，难以较好理解地外星球的地质特征。如果使用能够跨越地形的足式机器人，就可以更好地进行探测。

人类文明早期的历史上有很多人制造过仿人或动物的机械系统（比如《三国志》中记述的诸葛亮发明的木牛流马，另外近代L. A. Rygg 在1893年就申请了机器马的专利）。但是真正符合足式机器人定义的机电系统在二战之后才被研究出来，并且随着电子计算机和自动控制理论的发展而飞速进步。在1965年，美国通用电气公司制造了重达1400千克的“行走卡车”，通过液压和机械机构传动，能够承载一个人类操作员的重量。1984年，美国俄亥俄州立大学的McGhee教授设计了历史上第一个用电子计算机控制的足式机器人OSU Hexapod。

同一时期，日本科学界对足式机器人的研究也蓬勃发展。东京工业大学的広瀬茂男教授设计了各种各样的足式机器人，同时也在蛇形机器人（虽然无足，但是运动原理和足式机器人类似）上做出了先驱工作。

另外日本早稻田大学、东京大学等学校的实验室也制造出了几种真正接近人类尺寸的人形机器人。

在科学家和工程师探索足式机器人的同时，社会大众接触的流行文化中也开始频繁出现人形机器人的形象。早在1952年，《铁臂阿童木》漫画就被制作了出来，阿童木成为日本动漫文化中最重要的形象之一，并且开启了日本长期的机器人文化。而很多电影中的机器人形象，比如1977年《星球大战》中的C-3PO、1984年《终结者》中的T800、1999年《机器管家》中的Android、2011年《铁甲钢拳》中的格斗机器人，在成为人们耳熟能详的荧幕英雄的同时，也促进人们思考在未来人类和机器人应该如何共存。

社会的关注也增强了足式机器人的商业价值，20世纪90年代开始，美国和日本都有公司开始进行商业化足式机器人的研究。1992年成立的美国波士顿动力公司开始为美国国防部和陆军设计大型的四足机器人和人形机器人。创办之后接近15年的时间，波士顿动力处于不为人知的状态，一方面要想把机器人造得稳定可靠需要大量的时间，另一方面他们此时用来造机器人的科研经费来自于美国军方，需要保密。军方对于足式机器人非常感兴趣，他们相信这种机器人能够在战争中帮助士兵驮运军事装备和补给。而日本的本田、丰田、索尼等汽车和电子业巨头也纷纷成立了研究足式机器人的部门。1999年索尼发布了可以作为人类的机器宠物的Aibo电子狗，这是世界上第一款智能足式机器人产品。2000年日本的本田公司发布了人形机器人ASIMO，这款机器人展示出了强大的行走、跳舞、上楼梯以及拿放物品的能力。

2008年，波士顿动力在Youtube上发布了最新的机器人“大狗”的测试视频，从此声名鹊起。“大狗”奔跑的姿态像极了真正的狗，而且还能够在受到撞击之后保持身体姿势的平衡。但是大狗并没有满足军队的需求：因为大狗为了实现高负载，需要很大的功率，它的驱动设备采用的是燃油发动机，运转的时候会有巨大的噪音，如果真的用在战争中，可能敌人在几公里外就能发现部队的位置。因此军方并没有应用大狗机器人。

此后几年中波士顿动力在大狗之后又发布了“野猫”、LS3、“Spot”等足式机器人，同时也展示了“Petman”、“Atlas”等人形机器人。每隔几个月，波士顿动力新的机器人的宣传视频就会在Youtube上引发热议，这些成就也标志着波士顿动力成为了全世界足式机器人研究和商业化最强的公司。

2011年3月11日，日本福岛核电站在地震和海啸之后发生堆芯溶解、辐射泄露等问题，成为1986年切尔诺贝利核电站事故之后最严重的核泄漏事故。 事故发生后多家公司和机构都曾派出机器人进入福岛核电站尝试执行一些任务，但是机器人要么无法通过地震后破损的地面，要么被核辐射影响无法正常工作。 虽然足式机器人的研究人员们都会在学术论文写“这个机器人平台将来可以用在搜索和救援任务中”，但是在需要搜索救援的关键时刻足式机器人并没有起到人们期望的作用。

为了避免未来再出现福岛核危机后的束手无策，美国国防部高级技术发展局（DARPA）在2012年发起了DARPA机器人挑战赛（DRC），希望参赛队伍开发人形机器人在人类工作的场景中执行一些搜索救援任务，包括开车、开门、拧阀门、上楼梯等动作。

2013年和2015年连续举办的两届DRC标志着人形机器人科研的一个小高潮，参赛队大部分来自全世界最顶尖的科研高校和机构：美国麻省理工学院、美国卡内基梅隆大学机器人学院和美国国家机器人工程中心、美国NASA喷气推进实验室、意大利理工学院、韩国高等技术研究院等等。足式机器人技术最强的波士顿动力公司并没有组队参赛，而是承担了更为重要的角色：他们制造了六台Atlas机器人给一些参赛队作为基础的研究平台。

在DRC比赛前后，工业界又出了一系列大事：创造了安卓手机系统的安迪鲁宾，在谷歌内部创办了机器人部门，一举收购了八家美国和日本的机器人公司，其中最出名的一家就是在DRC比赛中大放异彩的波士顿动力公司。

这些新闻看上去让人觉得人形机器人的研究和商业应用很快就要成熟起来，但随后事情的发展恰恰相反。DRC的参赛队员们在总结这两年比赛的成果之后还是非常悲观。一方面，比赛中的机器人大部分时间都在纷纷摔倒，完成任何一个子任务都要十几分钟的时间；另一方面，和大家的预期不同，所有的参赛队的机器人都是远程遥控的，而非自主完成任务；此外，很多机器人在执行任务的时候并非完全是按照“人形”来运作的，2015年最终获得比赛冠军的Hugo机器人，由韩国高等技术研究院开发，在移动的过程中都会跪下来，通过膝盖附近的一组轮子把自己当作轮式机器人来移动，这可以说是和最初人形机器人的设计要求相去甚远。人形机器人投入真正的搜索救援任务依然任重道远。

DRC之后，波士顿动力在YouTube上的新视频越做越出彩。2016-2017年间，波士顿动力改进了新版本的Atlas机器人，在液压驱动技术上面做出了惊人的突破：他们应用了金属3D技术，能够把液压油的流通管道直接打印在金属的机器人肢体内部，像血管一样，把液压油从背部输送到各个肢体的关节中产生强大的推力。新的Atlas机器人不仅能行走、跑步，甚至还能进行后空翻。

液压驱动器应用了初中物理学过的帕斯卡原理，在一个等效连通器中，如果两侧的管道尺寸不同， 在尺寸小的一侧施加小压力，就能在尺寸大的一侧施加大压力。Atlas的腿部关节就像我们常见的挖掘机一样，采用直线液压驱动器驱动，但是Atlas的关节尺寸更小、速度更快。Atlas背部的背包中有一个液压泵，在驱动时把液压油从身体中的管道里压送到关节的液压驱动器中，液压泵的管道和驱动器的管道粗细不同，所以液压泵里极小的压力可以转化成关节上巨大的力量。原理说起来简单，但是如何制造小而耐用的液压泵、如何让身体中的管道管壁通畅平滑，都是很有挑战的机电系统问题。

但是波士顿动力的商业化方向依然不明朗。Atlas的能力虽然越来越强大，但是都还只是在实验室场景中，而且一次成功的后空翻视频背后可能有许多次摔倒的尝试。换一个场景可能Atlas就不会好用了。

而谷歌的机器人计划也随着安迪鲁宾在2014年底突然离职而搁浅。安迪之后，谷歌再没有像他一样坚信机器人的商业化前景的人能够把整个部门团结起来，新收购的公司短期无法盈利，也无法融入谷歌的其他业务。2017年，波士顿动力被谷歌出售给了日本的软银集团。

波士顿动力的创始人马克雷伯特可能是世界上最坚信足式机器人会有光明前景的人。马克雷伯特1979年从美国麻省理工学院博士毕业之后，整个八十年代都在美国卡内基梅隆大学和麻省理工学院做教授，潜心研究足式机器人的控制，到1992年创立波士顿动力再到今天，他已经为实现足式机器人进入人类的生活并且帮助人类的梦想努力了整整四十年。频繁换东家对于实现马克的梦想几乎毫无影响，因为没有人比他更懂足式机器人，也没有人比他更坚守这个梦想。2016-2018年，马克雷伯特频繁在各种展会、投资人聚会上出现，介绍他心目中的足式机器人的未来，希望能够有人协助他把足式机器人商业化。根据展会亮相的频率，能够猜测出马克对Spot Mini这款四足机器人的商业化前景最为乐观，终于在2018年中，在一次演讲中马克谈到波士顿动力开始了1000台Spot Mini的量产计划，并且展示了有黄色外壳的量产版，他表示希望能将这些Spot Mini销售出去。

Spot Mini的性能确实不负众望，2020年初，美国著名媒体人Adam Savage买到了量产版的Spot Mini。作为一个非技术背景的用户，他能够通过简单地操作就控制Spot Mini爬上石堆。

此外，在2020年初举办的新一届的DARPA机器人挑战赛（DARPA Subterranean Challenge，SubT）的复赛中，由NASA喷气推进实验室、加州理工学院、麻省理工学院和韩国高等技术研究院等学校组成的“全明星战队”用Spot Mini为基础的自主平台，打败了使用传统轮式机器人在初赛中取得第一名的卡内基梅隆大学队伍。两支队伍均汇集了全世界第一流的机器人定位与导航技术人才，在定位导航技术水平差不多的情况下，比赛结果很大程度上由机器人平台的运动控制能力决定，这次比赛的结果更加展示了足式机器人的广阔潜力。

2019年前后，我国的足式机器人行业也有了发展。得益于多年在制造业中的积累，低成本地制造一台运动能力很强的多足机器人在中国已经不再是难事。以杭州宇树科技为首的一批创业公司纷纷开发了能够量产的四足机器人。作为这个新兴行业的领头羊，宇树科技不仅获得了国际著名风投红杉资本的投资，还将产品卖到谷歌等美国科研机构，协助学术界进行足式机器人的研究。

回顾完足式机器人半个多世纪的发展历史，在2020年刚开始的时刻科学家和工程师们看到了一些足式机器人商业化的契机，但是也看到了更多需要解决的研究问题。不管波士顿动力是否能够通过售卖足式机器人产生可观的商业价值，这家公司已经注定要在人类历史上留名。波士顿动力的机器人让我们看到了足式机器人充满可能性的未来，而马克雷伯特本人对于足式机器人近四十年的不懈探索也向我们展示了科学家的执着和信念。他的奋斗故事也激励了如宇树科技这样的新一代机器人公司为足式机器人的发展做出贡献。我们离一个足式机器人和人类和谐共处的未来还很远，但是相信会有更多的科学家和工程师会受到马克和他的波士顿动力的激励，继续向着这个未来努力。