工程师们一致认为：自然是最好的机器人

我和我的陪同人员走过一个经过改建的第二次世界大战时期的仓库，历时五分钟，绕过迷宫般昏暗的走廊和一个海绵状的铁路湾，然后在原型制作过程中穿过一个充满航天器骨架的实验室。 我们终于到达了海军正在建造的工作台……一头机器人松鼠。

“松鼠”有点牵强，因为今年春季完工的中型机器人运动计划（MeRLIn）的第一个完整版本将重10到20磅-众所周知，这是一只啮齿动物。 。 当前形式的机器人由矩形歧管和安装在滑动铝支柱上的狗牙形腿的第十次迭代组成。 附近一幅鲜蓝色的3D打印模型显示了完成后的外观：一台无头，四足的机器，大小约克夏。

但是，当该项目的工程师为我进行演示时，我明白了为什么他们将MeRLIn称为松鼠：尽管它的电动机和液压驱动的活塞很小，但它却像地狱般跳跃。

MeRLIn只是最近有动物感谢其灵感的机器人之一。 动物王国充斥着聪明的感应和运动的例子，在电池驱动的有限动力的自动机器人世界中，效率是最重要的。 例如，模仿袋鼠跳动的能力将实现力量与性能之间的理想权衡：这些有袋动物强大的后肢中的肌腱在每次跨步之间都存储能量，从而使动物能够以相对较少的能量消耗进行长距离行走。

照片：美国海军研究

生物学是当今出现的一些最具创新性的机器人设计的背后：看看加州大学伯克利分校的Salto，其灵感来自跳得高的非洲丛林宝宝或弗吉尼亚大学的蝠, ，它模仿了切萨皮克湾的牛鼻射线。

很容易明白为什么。 当完成人类形式不适应的任务时，受生物启发的设计具有明显的优势。 从微小的苍蝇到深海鱼类甚至是微生物（某些燃料电池受微生物化学作用驱动），自然界都在修补和调整令人惊奇的有效方法来完成工作。 数百万年的进化已使动物在其所从事的工作（飞行，跳跃，行走和游泳）中发挥了极其有效的作用。 在不可见光谱中感应； 可能还有更多我们尚未发现的能力。

但是，今天建造的生物机器人远非动物的机械复制品，而是在推进蒸馏这些优雅生物解决方案的目标。 现在的推动力是分析这些策略是什么，将其精简为主要本质，并利用它们来达到我们自己的目的。 尽管科学家和工程师正在构建可以更好地移动的组件，但是可以更深入地思考的处理器和可以更精细地检测的传感器，将所有这些组件缝合到一个真正的功能，可大规模生产的程序包中仍然是一项艰巨的任务。

跌倒前走

如果MeRLIn看起来很熟悉，那就应该了。 该项目的首席研究员格伦·亨肖（Glen Henshaw）说，他的团队毫不犹豫地认为，梅尔林（MeRLIn）受到了更大，更重的祖先的启发，这些祖先已经发现了很好的互联网声誉，包括波士顿动力（Boston Dynamics）的L3和大狗（Big Dog）和麻省理工学院（MIT）猎豹。

照片：美国海军研究实验室/ Victor Chen

海军研究实验室工程师想要的是一种更小，更安静，更灵活的机器人，该机器人不需要两个绑扎的年轻海军陆战队来设置它来检查潜在危险。 但是，构建MeRLIn并不仅仅只是缩小所有零件的大小，以制造出可以放入士兵背囊的机器人。 这也是理解某些步态如何运作，为何起作用，为什么这些步态适用于变化的地形以及如何构建可以学习适应和选择正确机器人的机器人的过程。

控制工程师Joe Hays到达MeRLIn的工作台时，将几条测试命令输入到计算机中，使机器人的腿部抽搐。 卸下支撑支柱后，MeRLIn的单腿用自己的力量撑起了砖块般的车身，现在已经充满了液压油。

过了一会儿，闪电般的痉挛，大腿从空中向近三英尺的地方发射了MERRL，它的垂直金属导轨将其引导回桌面。 再重复此练习三遍，机器人在最后一次有力的跳跃之后撞到了防护罩的天花板上，沉重地摔倒了，导致其腿部塌陷。

亨肖说：“坦率地说，我们对动物运动尚不了解。” “而且我们真的不像我们想要的那样理解神经肌肉系统。我们正在尝试构建某些东西，但并不确切地知道它应该如何行走。”

该团队仍在解决液压方面的其他问题，但通过自适应算法以每毫秒一次的速度探测并纠正硬件电路中的不确定性的方法取得了成功。 他们希望它能在几个月内尝试从地面跳到桌子上。

在宾夕法尼亚大学，Avik De和Gavin Kenneally的Minitaur是另一种超小，轻巧的四足动物，是在Dan Koditschek的指导下创建的。 他们的小机器人重约14磅，几乎没有笨重的步态。 然而，当您观看他们的创造的视频爬上楼梯，攀爬栅栏并跳开以解开门把手时，爱慕感很快就变成了奇怪。

照片：由Ghost Robotics提供

De和Kenneally使用自由摆动的直接驱动式支腿，而不是传统的齿轮驱动支腿，大幅削减了机器人的体积。 电动机充当机器人软件的反馈传感器，检测并调整它们每秒传递1000次的扭矩。 结果是机器人可以缓慢或快速地束缚，爬楼梯，跳起来并摆动一组腿以钩住门把手来打开它。

尽管距离自动驾驶尚很遥远，缺乏允许其自由行驶的传感器和控制系统，但Minitaur独特的可调节式自动踩地钉动作表明，即使没有大型，强大的驱动机构，也可以实现敏捷性。 它也由市售零件制成。

De说：“显然，有很多人希望拥有腿，但目前的技术还不够成熟，价格昂贵得令人望而却步。”他还指的是波士顿动力公司的Atlas机器人-不仅功能强大，而且专有且价格昂贵，因此并不容易复制。 “我们希望制造一个其他人都可以使用的机器人，以便他们可以尝试为自己的应用程序实现该平台。”

Slithery解决方案

霍伊·乔塞特（Howie Choset）承认自己害怕蛇。 具有讽刺意味的是，他最著名的作品可以说是蛇般的。

匹兹堡卡内基梅隆大学副教授乔塞特（Choset）自从成为研究生以来就一直在从事蛇形机器人的研究，他积累了许多成就。 他经营着CMU的机器人学院-这个实验室，许多正在进行的创作都具有重复的蛇形身体片段。 他还是最近出版的《 科学机器人 》杂志的编辑，并撰写了有关机器人运动原理的教科书。

为了保持忙碌，他还成立了两家公司：鹤壁机器人公司和Medrobotics。 后者的先进内窥镜手术工具Flex机器人系统于2015年获得FDA批准使用。 尽管Choset现在不再正式隶属于Medrobotics，但他说，观看使用机器人进行的现场手术是他专业经验的最高点。

照片：由Howie Choset提供

乔塞特（Choset）对Flex是否受到蛇的启发持反对意见。 他说，机器人的蛇形设计是考虑到人类内部空间的曲折而设计的。 但是，其他一些最新的工作无疑是要研究蛇并为它们建模，尤其是与佐治亚理工学院的物理学家丹·高德曼（Dan Goldman）合作，他的生物力学研究导致了受蟹，海龟运动启发的机器人的诞生。 ，蟑螂，mud鱼和沙鱼。

乔塞特还感谢加州大学伯克利分校的Poly-Pedal实验室的负责人，罗伯特·富勒（Robert Full）是受生物启发的机器人技术的最初开创者之一。 通过研究蟑螂如何运动以及壁虎如何爬垂直表面，Full，Choset和其他人试图将这些秘密归结为可以以新颖方式应用的一般设计原理。

乔塞特说：“我们应该复制生物学吗？不。要问生物学家。” “我们想要的是挑选最佳原则，然后从那里开始。”

乔塞特和高盛与亚特兰大动物园的约瑟夫·门德尔森一起研究了响尾蛇的运动，最终将它们的急转弯运动描述为一系列变形波。 将这些知识应用到他的机器人蛇的编程中，Choset的团队得以使它们爬上沙丘，这是以前不可能完成的任务。 了解蛇如何改变自己的身体形状以使自己四处走动，这也使Choset能够制造出可以缠绕柱子和门内部的蛇机器人，他认为这对于探索危险的内部空间非常有用，例如核电站或核电站。难以接近的考古遗址。

乔塞特说：“我对生物学是如此复杂的事实感到沮丧，只能希望将其吸收一点并放入我们的机器人中。” “但是我们并没有像动物那样复制动物的精细程度和能力。我们想要的是建立具有强大能力的机制和系统。”

他对自己的进步以及学生的成就和发现相当偶然的描述也适用于这样的机器人如何在它们成熟时如何出现在世界上。 他说，研究进展缓慢，进展缓慢。

乔塞特说：“进化也是偶然的。” “没有一个临界点，只有一系列的发展，从外部看，看起来是一个重大突破。”

关键的交叉

总的来说，不能指望工程师知道生物学如何工作，这使得工程师和生物学家之间的合作至关重要。 在芝加哥大学，生物学家马克·韦斯特纳特（Mark Westneat）对一类鱼类濑鱼的研究促成了与海军的合作，导致了缓慢移动但敏捷的水下无人机可以悬停在原地。 这样的无人驾驶飞机被称为WANDA（意为“受到激战启发的敏捷近岸可变形翅片自动机”），可用于检查船体，码头和抽油装置。

高速摄影是近20年前这项工作的核心，当时威斯尼特公司（Westneat）首次开始对濑鱼进行成像研究，而在海军对此工作感兴趣之前。 在一个恒定电流的水箱中，韦斯特纳特称之为“鱼的跑步机”，濑鱼快乐地游动，只用它们的胸鳍在水箱中保持固定的位置，而高速摄像头则以1, 000的速度捕捉到了该运动的每个细节。每秒帧数。

照片：美国海军研究实验室/ Victor Chen

结合生物学家对鱼的解剖学的高度详细的知识-鳍鳍如何附着在其肌肉上，鳍膜中的神经末梢如何传递压力和张力-摄影使人们深入了解了濑鱼如何在水中推动自己以及它们特有的类似企鹅拍打动作的扭曲和扭转。 NRL WANDA项目的首席工程师Jason Geder说，这只濑鱼能够将其悬停在适当的位置，同时即使在强烈或波动的海流中也能保持其身体静止不动，使其成为为新型敏捷水下航行器建模的理想物种。

格德尔说：“传统的螺旋桨或推进器驱动的车辆没有这种机动性，或者转弯半径太大。” “这是一条很好的模型，因为如果我们想在车辆中央安装一个用于装载有效载荷的刚性船体，那么使用这种胸鳍运动就可以达到类似的性能。”

Westneat认为，更新的3D摄影功能可以进一步推动研究。 Westneat说：“对于鱼来说，它是生与死，但对我们而言，对效率的更好理解可以意味着更好的电池动力。” “我们真的很想紧密模仿膜的基本骨架结构和机械性能，看看是否能获得超高效率。”

博物馆的生物收藏品是研究人员的又一丰富而未得到充分利用的资源。 例如，史密森学会仅在其脊椎动物收藏中就拥有近60万个标本，而弗吉尼亚理工大学的罗尔夫·穆勒（RolfMüller）则将这些收藏品用于蝙蝠启发的无人机。 Mueller使用Smithsonian的蝙蝠耳和鼻子的3D扫描，为他的飞行机器人创建了类似的结构，以帮助其通过高空滑索引导的测试运行报告反馈。

穆勒说：“您有数百万个标本排列在抽屉中，您可以非常快速地访问它们。” 他参与了一个由博物馆专业人士和研究人员组成的财团的创建工作，以帮助使全国范围内的此类藏品更容易获得生物灵感的发展。

然后，无论源是在罐中游泳还是躺在储物抽屉中，将数据转换成有用的形式仍然是一个挑战。 Westneat说：“您的典型工程师需要规格，但生物学家可能会给他们解剖图。”

直到他自己开始参加一些工程讲座时，他才意识到自己的工作可以提供鱼类运动的机械数据，这些数据可以转化为动力和力量，数据工程师需要生产一台工作机。 “这些都是自然选择可以作用的东西，但是它们也使自动驾驶汽车是否能够回到船上有所不同。”

回到学校

学习，记忆和适应完全是其他挑战。 回到海军改建后的仓库，MeRLIn团队仍主要从事小型化问题。 但是他们都意识到，如果没有学习，记忆和适应能力，他们所设想的机器人将是不完整的。

亨肖在不在实验室的时候在家养羊，他说看着新生的羔羊从潮湿的堆子变成几小时的步行路程，凸显了人工复制这一过程的困难。 亨肖说：“没有人真正了解它的工作原理。”羔羊长到绵羊后，要不断适应其运动以适应快速的体重变化，就需要进行神经变化。 他的团队为解决该策略而采取的一种方法是编写允许他们改变MeRLIn步态生成方式的软件。

另外，Henshaw是另一个项目的一部分，该项目旨在开发具有生物启发性的学习系统。 他给我看了一段视频，其中有一条机器人的腿将球踢进一个小型足球门。 经过三道编程的踢球后，腿部将自己的球再踢78次，系统地选择自己的目标并跟踪其成败情况。 进一步完善并将其应用于像MeRLIn这样的机器人，像这样的代码将使步行机器人更容易自行适应不同的有效负载重量或腿长。

Henshaw说：“许多项目都有方程式，这些方程式可以通过大型数学方程式实时优化重心或运动。” “它起作用了，但它并不是完全生物学的。我不能断言我编写的算法正是大脑中正在发生的事情，但似乎是必须要发生的事情。人类学会爬树踢脚通过练习而不是数值优化来实现。”

Henshaw补充说，深度学习和对所收集知识的访问可能会加速这一过程，但是，硬件仍然不够强大或足够小，无法适应像MeRLIn这样的小型设备。 他说：“如果您想要这些小型机器人，我们不必改进算法，而要改进它们运行的​​硬件。 “否则，它将需要一台太大的计算机，电池太大，这将无法正常工作。”

新兴市场

生物学为创建创新的身体平台和运动策略提供的快捷方式也可能有助于使受生物学启发的机器人在经济上也更可行。 乔塞特不是唯一一家创办公司来帮助推动其创作的实际应用的学者。 实际上，由挪威科技大学机器人学教授克里斯汀·伊特斯塔德·佩特森（Kristin Ytterstad Pettersen）创立的Eelume目前正在销售自己的机器人游泳蛇，以进行水下勘探和检查任务。 De和Kinneally创立了销售Minitaur的公司Ghost Robotics。

大型私人公司也参与其中。 波士顿工程公司（Boston Engineering）的海洋检查机器人BioSwimmer处于运行现场演示的最后阶段。 该机器人不仅受到金枪鱼的启发，其整个外部结构均基于在马萨诸塞州沃尔瑟姆市的公司办公室附近捕获的五英尺长的蓝鳍金枪鱼的扫描结果。 就像活生生的金枪鱼一样，推进力源自尾巴，从而使车辆的前半部分可以堆放传感器和有效载荷。 不过，目标并不是模仿金枪鱼，而是要利用动物的效率和高性能。

波士顿工程公司高级系统小组主管Mike Rufo表示，设计的生物学方面并没有使其更容易构建，但也没有增加额外的困难。 Rufo称，该公司建造的BioSwimmer（长5英尺（100磅），重100磅）的成本与类似项目的成本大致相同（约100万美元），并且其定价将与其他同等大小的车辆类似。 但是，由金枪鱼启发的推进策略所提供的运动效率使其可以在标准动力源上运行更长的时间。

鲁福说：“生物启发式机器人技术正在共同阻碍着一些技术障碍。” “但是生物灵感提供了直接解决这些问题或通过减轻这些挑战带来的影响来提高性能的机会。例如，尽管电池技术取得了一些非常酷的进步，但我们仍然可以整合多少电量一定大小。但是，如果您能解决系统的效率问题，那么也许电池对您的影响就不会太大。这是生物灵感发挥重要作用的领域。” 他仍然认为，至少在未来的五到十年内，这类机器人在国防应用或其他方面不会很普遍。

不管在我们的日常生活中没有过于蠕动的机器人助手之前必须克服的巨大挑战，即使在过去的几年中，在封装生物学和进化所阐明的东西方面也取得了巨大的进步：有机体的令人眼花ability乱的能力适应和执行。

韦斯特尼特说：“有时候确实是西西弗安，” “我看着这些水生机器人，它们对我来说似乎笨拙；但是后来，我习惯于看到这些优美的动物在珊瑚礁中游动。但是，工程师和生物学家能够聚在一起创造出的东西并不太离谱您扔进水中的机器人会自行游动。一切都令人兴奋。”