起跳，機(jī)械腿！

機(jī)器腿“大個(gè)兒”的最后一跳，有可能成為今后機(jī)器人行走的標(biāo)準(zhǔn)模式。是的，如果它更節(jié)能、更簡(jiǎn)單，并且適應(yīng)多種環(huán)境，何必非要學(xué)著像人類一樣邁腿。

在卡內(nèi)基#8226; 梅隆大學(xué)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室里，研究生喬納森#8226; 赫斯特（Jonathan Hurst）和同事們緊張地盯著一條“腿”——它被架在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，活像一條驢腿，而且正像驢一樣不停地圍著轉(zhuǎn)軸傻跳，但跳得還不太穩(wěn)，不時(shí)踉蹌著，艱難地找著平衡。

這條高1 米左右、重幾十千克的家伙是赫斯特的畢業(yè)杰作，他把它命名為“大個(gè)兒（Thumper）”。幾個(gè)月來，它一直在實(shí)驗(yàn)室里艱難地學(xué)習(xí)著跳躍的動(dòng)作。并非不會(huì)行走，而是它的使命就是如此。這個(gè)設(shè)計(jì)來自一個(gè)更為雄心勃勃的龐大計(jì)劃——Rhex的一部分，其任務(wù)是開發(fā)出一個(gè)有6 條腿，能走、能爬樓梯、還能跑能跳的機(jī)器人。赫斯特的這條腿就是為這位還未降生的機(jī)器人準(zhǔn)備的。

向自然學(xué)習(xí)

給機(jī)器人裝上雙腿的工作早就開始了。20 年前，MIT 著名的腿實(shí)驗(yàn)室研制出了一條能獨(dú)立跳躍的自控腿。這條腿裝備了微型計(jì)算機(jī)和電源，膝蓋是它唯一的“關(guān)節(jié)”，而“腳掌”則是一個(gè)十字架。這條腿長1.5 米，能站立、伸直、朝前邁進(jìn)并抬起來。

為了適應(yīng)各種復(fù)雜的地形，腿實(shí)驗(yàn)室的后繼者們對(duì)三種不同的運(yùn)動(dòng)步態(tài)——走、跑、跳分別展開了研究，更多的機(jī)器腿被制造出來，它們分別被命名為步行者（Walker）、跑步者（Runner）和跳躍者（Hopper）。很顯然，科學(xué)家們的目的，是希望這些功能最終能集合到一個(gè)機(jī)器人身上。

然而直到目前為止，即使像日本本田公司制造的“阿西莫”這樣的最新一代仿人機(jī)器人，能夠慢跑、倒走和上下樓梯，卻仍只能在平坦且沒有阻礙的地面行走，并且需要消耗大量的能量。這時(shí)，像“大個(gè)兒”這樣會(huì)彈跳的優(yōu)點(diǎn)就顯示出來了。

在自然界的生物中，很多昆蟲、鳥類和獸類都擅長跳躍。一只跳蚤通常能跳到15 厘米高，30 厘米遠(yuǎn)；蝗蟲更加厲害，可跳到30 厘米高，70 厘米遠(yuǎn)。赫斯特強(qiáng)調(diào)，模仿人類不是機(jī)器人的目的，而只是手段。跳著走的機(jī)器腿比像人一樣邁步的腿更節(jié)能，而且可以走得更快。如果跳蚤能跳30 厘米遠(yuǎn)，那么以彈跳前進(jìn)的機(jī)器人不用跳30 米，每次一米就足夠躍過很多障礙了。

簡(jiǎn)單法則的勝利

在赫斯特之前，傳統(tǒng)的彈跳腿設(shè)計(jì)幾乎都很復(fù)雜：要么是電機(jī)帶動(dòng)齒輪，卻不容易產(chǎn)生自然的彈跳姿態(tài)；要么是液壓或氣壓傳動(dòng)，雖然能產(chǎn)生彈力，卻往往難以控制。也有一些試圖借鑒古老的彈簧。美國宇航局就曾研制過一種彈簧機(jī)器腿。赫斯特自己所在的實(shí)驗(yàn)室以前也設(shè)計(jì)過一種模仿“弓”的彈跳機(jī)器腿，當(dāng)“弓弦”收緊，弓體就被壓彎，從而在豎直方向上產(chǎn)生兩個(gè)力，將機(jī)器人的身體頂離地面。

和眾多前輩們不一樣，年輕的赫斯特試圖遵循一條古老的技術(shù)原則：保持簡(jiǎn)單。首先，他只保留了唯一的關(guān)節(jié)：膝關(guān)節(jié)，它足夠保證兩個(gè)基本的自由度：向上或向下，向前或向后。而踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)都被拋棄了。其次，他要決定正確的起跳力度和角度。一旦彈跳力和方向確定，腿就能以一定的初速度跳離地面，取得一定的高度和距離。為此，他總共只運(yùn)用了三個(gè)電機(jī)：一個(gè)調(diào)節(jié)腿的總長，一個(gè)控制腿的角度，第三個(gè)調(diào)整腿部的剛性。接下來，他用一連串線纜和滑輪的組合作為傳動(dòng)裝置；最后，他把儲(chǔ)能裝置換成了一對(duì)玻璃纖維做的長條形彈簧，它組成了腿最重要的部分：肌肉。當(dāng)它們?cè)阡摾|拉動(dòng)下張開時(shí)，就像一對(duì)拉滿帆的雙翼， 隨時(shí)準(zhǔn)備著將腿送離地面。

就這樣，3 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、5 根鋼纜和鋁滑輪連接、1 對(duì)玻璃纖維彈簧，幾乎就構(gòu)成了這條機(jī)器腿原型的全部。和那些全身纏繞了密密麻麻的電線、裝有復(fù)雜的電路板、齒輪和電機(jī)組合的機(jī)器人相比，他的設(shè)計(jì)可說盡顯簡(jiǎn)單之美。

這條腿的靈感也許來自于現(xiàn)代復(fù)合弓，連彈簧的材料都一樣。我們知道，傳統(tǒng)弓就是一根輕質(zhì)木料配上弦，而復(fù)合弓則采用了新型的玻璃纖維，并在弓上加裝了滑輪和線纜——看上去和赫斯特的機(jī)器腿多么相似！人拉弓弦時(shí)，滑輪和線纜將力傳遞給弓體，弓體儲(chǔ)存和釋放彈性勢(shì)能，只不過是在水平方向，而機(jī)器腿利用的則是豎直方向。從這個(gè)意義上說，赫斯特的設(shè)計(jì)借鑒并超越了前人的思路。

能量消耗和起跳時(shí)的平衡一直是困擾彈跳機(jī)器人的難題，腿的自重越大，消耗的能量就越大，同時(shí)慣性也越大，因而也越容易失去平衡。研究表明，由肌腱和肌肉儲(chǔ)存和釋放的能量占日常能量總消耗的40％。而“大個(gè)兒”跳躍時(shí)消耗的能量卻與相同體重的人相當(dāng)，這很大程度上也歸功于彈簧。據(jù)計(jì)算，要保證起跳時(shí)的動(dòng)能，只需要75 克的彈簧就足夠了。而如果將彈簧全都換成電機(jī)，重量則要增加30 倍。新的設(shè)計(jì)無疑大大減輕了機(jī)器腿的體重，從而減小了腿跳躍時(shí)的慣性，使它不容易摔倒。再加上彈簧本身就是天然的減震器，能量和平衡這兩大難題就這樣被巧妙地解決了。

機(jī)器人的一小步

赫斯特共制造了兩條這樣的機(jī)器腿，一條在卡內(nèi)基#8226; 梅隆的實(shí)驗(yàn)室，另一條在他的合作者，密歇根大學(xué)的吉策爾（Gizzle）教授那里，后者將被裝配在一個(gè)名為“梅布爾（MABEL）”的雙足機(jī)器人身上，用來進(jìn)一步研究腿部運(yùn)動(dòng)的控制。

更多有價(jià)值的工作正在不少研究者那里悄悄進(jìn)行，比如更清晰的成像技術(shù)、更敏銳的傳感器以及更快速的運(yùn)算處理芯片，這將使得機(jī)器人移動(dòng)身體時(shí)具有更好的“感覺”和“智能”：在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)新的地形狀況作出判斷，為下一次起跳做好準(zhǔn)備。有了赫斯特提供的簡(jiǎn)單、輕便、高效率、具有良好的彈性和穩(wěn)定性的機(jī)器腿原型的幫助，相信這些都不再是遙不可及的事了。

相對(duì)于“假肢”這類現(xiàn)實(shí)應(yīng)用而言，更具誘惑力的應(yīng)用是在航天領(lǐng)域。目前，掌握登月計(jì)劃的美國、俄羅斯、中國和日本的登月工具幾乎都是帶輪子的小車。據(jù)負(fù)責(zé)中國登月機(jī)器人項(xiàng)目的專家透露，未來“嫦娥”登月計(jì)劃的首選也是輪式小車。然而，這并非因?yàn)檐嚫糜茫瑑H僅因?yàn)楦嫌玫臋C(jī)器人還沒有制造出來。實(shí)際上，在外星球表面的移動(dòng)速度并不是那么緊要。早有研究表明，彈跳式的移動(dòng)方式在諸多方面都挺適合月球。

如果赫斯特的這 項(xiàng) .意能被成功運(yùn)用到探月機(jī)器人上，無疑將為各國的登月計(jì)劃開辟一條新的思路。也許今后的科幻電影里，將不再出現(xiàn)一個(gè)個(gè)笨重的多輪小車的身影，而是一只只像袋鼠一樣靈活的彈跳機(jī)器人——它們跳得足夠高、足夠遠(yuǎn)，幾乎能適應(yīng)各種未知的月表環(huán)境，看上去和飛行器沒多大差別，那將是真正兼擅空中和地面的兩棲機(jī)器人。

當(dāng)然，研究者們并不希望機(jī)器人只是像袋鼠那樣能跳。他們還希望在遠(yuǎn)距離行駛時(shí)能像汽車那樣快，在需要休息的時(shí)候可以慢騰騰的陪著散步，甚至還可以搬回家里。這才是人們想要的。但這將是下一步要解決的問題。實(shí)際上，相對(duì)于彈跳運(yùn)動(dòng)而言，輪子、爬行和步行的研究已較為成熟，如何把彈跳運(yùn)動(dòng)和這些運(yùn)動(dòng)方式相結(jié)合，使機(jī)器人具有更高的機(jī)動(dòng)性，正是彈跳機(jī)器人最重要的發(fā)展方向之一。年輕的赫斯特對(duì)這樣的未來很有信心，“人們希望它發(fā)生，它就會(huì)發(fā)生”。