看到狗狗靈活地奔跑、跳躍，你是否好奇過(guò)它們是如何控制身體的每個(gè)關(guān)節(jié)，讓動(dòng)作如此流暢自然？

近日，Nature Machine Intelligence刊登了一項(xiàng)重磅突破：來(lái)自EPFL、代爾夫特理工、MIT等頂尖研究機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出了一款名為PAWS的四足機(jī)器人，僅用4個(gè)電機(jī)就能控制12個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了接近生物的自然運(yùn)動(dòng)。

這個(gè)突破有多驚人？傳統(tǒng)四足機(jī)器人往往可能需要每個(gè)關(guān)節(jié)配備一個(gè)電機(jī)，12個(gè)關(guān)節(jié)就需要12個(gè)電機(jī)。而PAWS用1/3的電機(jī)數(shù)量，不僅實(shí)現(xiàn)了基本運(yùn)動(dòng)，還能展現(xiàn)出令人驚嘆的環(huán)境適應(yīng)能力。

這項(xiàng)成果源于研究團(tuán)隊(duì)對(duì)生物運(yùn)動(dòng)的深入研究和巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)。讓我們一起來(lái)看看這個(gè)突破性的研究。

▍解密生物運(yùn)動(dòng)的奧秘

提到四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力，很多人會(huì)想到獵豹70mph以上的奔跑速度，或是山羊在險(xiǎn)峻山崖間的靈活跳躍，還有馴鹿年度遷徙時(shí)橫跨數(shù)千英里的持久力。這些能力一直是機(jī)器人研究者追逐的目標(biāo)。

傳統(tǒng)的四足機(jī)器人設(shè)計(jì)往往需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要大量傳感器實(shí)時(shí)反饋，需要強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)協(xié)調(diào)所有關(guān)節(jié)。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是用蠻力來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

PAWS團(tuán)隊(duì)選擇了一條全新的路徑：與其機(jī)械地模仿生物的形態(tài)，不如深入理解生物控制運(yùn)動(dòng)的原理。

他們分析了一個(gè)包含147,541個(gè)狗狗運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，記錄了狗狗在行走、跑步、跳躍等各種狀態(tài)下的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)主成分分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要特征：動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)并不是在獨(dú)立控制每個(gè)關(guān)節(jié)，而是通過(guò)"運(yùn)動(dòng)協(xié)同"(synergies)產(chǎn)生協(xié)調(diào)的激活模式。更驚人的是，僅用4個(gè)協(xié)同模式就能解釋約80%的運(yùn)動(dòng)變化。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)啟發(fā)他們提出疑問(wèn)：既然生物不需要獨(dú)立控制每個(gè)關(guān)節(jié)，那機(jī)器人是否也可以用更少的驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富的運(yùn)動(dòng)？

▍顛覆傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

為了將生物運(yùn)動(dòng)的協(xié)同特性轉(zhuǎn)化為機(jī)器人設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套創(chuàng)新的機(jī)械系統(tǒng)。

PAWS的每條腿都有三個(gè)關(guān)節(jié)，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的滑輪系統(tǒng)連接肌腱。最妙的是，機(jī)器人的"半身"（一前一后兩條腿）只用兩個(gè)電機(jī)就能通過(guò)滑輪控制兩根肌腱，每根肌腱對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)同模式。

關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)更是別出心裁。每個(gè)關(guān)節(jié)都配備了可調(diào)節(jié)的扭轉(zhuǎn)彈簧模塊，由兩個(gè)拮抗的線性彈簧、托盤和滑輪組成。通過(guò)調(diào)節(jié)剛度滑輪的半徑，可以在325到1,092 N mm rad?1范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度。

連桿采用了鋁材CNC精密加工，可以45度增量調(diào)節(jié)初始位置。機(jī)腳使用特殊的Dragon Skin 20硅膠制作，既保證了適當(dāng)?shù)牡孛孀サ亓Γ痔峁┝吮匾木彌_作用。所有旋轉(zhuǎn)接觸處都采用高質(zhì)量滾珠軸承，大大減少了摩擦損耗。

這種設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了控制，還賦予了機(jī)器人類似生物的"機(jī)械智能"。當(dāng)機(jī)器人遇到外界干擾時(shí)，不需要復(fù)雜的感知和計(jì)算，機(jī)械系統(tǒng)本身就能提供合適的響應(yīng)。

▍超越被動(dòng)的主動(dòng)控制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PAWS不僅完成了預(yù)期的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，還展現(xiàn)出驚人的環(huán)境適應(yīng)能力。

在抗干擾測(cè)試中，研究人員對(duì)PAWS施加外力干擾。結(jié)果顯示，機(jī)器人能在幾個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)模式。這種自適應(yīng)能力完全來(lái)自機(jī)械系統(tǒng)的特性，不需要任何額外的控制介入。

更令人驚喜的是，PAWS在主動(dòng)控制狀態(tài)下依然保持著優(yōu)秀的被動(dòng)特性。通過(guò)在協(xié)同空間中求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了包括行走、坐下、跑動(dòng)等多種生物式動(dòng)作。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人不需要復(fù)雜的感知和規(guī)劃，機(jī)械系統(tǒng)本身就能提供合適的響應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還揭示了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：PAWS在工作空間中的不同位置會(huì)展現(xiàn)出不同的剛度特性。例如，在支撐相期間，系統(tǒng)在地面方向的剛度較高以支撐自重，而在擺動(dòng)相期間則變得更加柔順以更好地應(yīng)對(duì)擾動(dòng)。這種自適應(yīng)特性與生物運(yùn)動(dòng)驚人地相似。

這項(xiàng)研究不僅實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，更為機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了全新思路：也許制造出色的機(jī)器人，關(guān)鍵不在于堆砌更多硬件，而在于深入理解和借鑒生物的智慧。這種將主動(dòng)控制與被動(dòng)動(dòng)力學(xué)結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，正在開創(chuàng)四足機(jī)器人發(fā)展的新范式。

想象一下，未來(lái)的四足機(jī)器人可能不再依賴復(fù)雜的控制系統(tǒng)和大量的傳感器，而是通過(guò)巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，就能展現(xiàn)出接近生物的運(yùn)動(dòng)能力。這不僅意味著更低的成本和更高的可靠性，還可能帶來(lái)全新的應(yīng)用場(chǎng)景。

這項(xiàng)發(fā)表在Nature Machine Intelligence上的研究，再次證明了生物學(xué)對(duì)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要啟發(fā)作用。相信未來(lái)我們會(huì)看到更多這樣融合生物學(xué)智慧與工程創(chuàng)新的突破性成果。