身手不凡的智能仿生機器人

席金合

隨著人工智能技術的飛速發(fā)展，形形色色的機器人，以各自的專業(yè)優(yōu)長，成為某一方面的行家里手，在眾多領域為人類服務。特別是人們根據(jù)特定需要，仿照動物打造出肢體發(fā)達、身手不凡的機器人，具備運動員的特殊技能，可在賽場上一較高低。2022年北京冬奧會即將舉行，如果組委會允許的話，下面這些特殊“選手”進場獻技，一定能增添“人”氣。

獵豹機器人——短跑

美國麻省理工學院研制的機器人“迷你獵豹”，動作十分敏捷，在快速奔跑中，如果遇到石塊、樹樁等障礙物，能縱身一躍而過——它完全可作為400米跨欄選手，參加田徑比賽。研制者期望，它將來可成為戰(zhàn)場上能夠逃避敵人追捕的猛士。

擅長奔跑的動物，其身體結(jié)構(gòu)和運動機能是科學家設計“迷你獵豹”的靈感源泉。的確，“迷你獵豹”的腿關節(jié)靈活，脊椎和頸部能活動，奔跑中能沖刺、轉(zhuǎn)彎，并能緊急收住腳步停下來。它的各處關節(jié)裝有緩沖彈簧，可減輕沖擊和震動，防止肢體損壞;它的四條腿用電機驅(qū)動，可實現(xiàn)交替換步。它還能一躍而起，在空中實現(xiàn)360度向后翻滾或側(cè)向翻滾，落地時四腿可平穩(wěn)支撐。

動物是怎樣行進的？由腳底蹬地的角度和力量決定。力量越大，走得越快，但身體不穩(wěn);力量越小，行走越慢，身體就越穩(wěn)。據(jù)此，“迷你獵豹”可根據(jù)不同地形，通過儲存在“大腦”里的運動指令，自主控制腳部力量，確保速度適中和身體平衡，最高以16千米/小時的速度前進。

也許有人會說，比起自然界的獵豹奔跑時122千米的時速，這也太慢了吧？而美國波士頓公司研制的“獵豹”機器人，行進時速達29千米，從而打破了有腿機器人的運動速度最高紀錄，成為跑得最快的四腿機器人。顯然，相比短跑運動員，還差得很遠。不過，這已經(jīng)很不錯了，讓四肢僵硬的鐵家伙，像動物那樣奔跑，面臨的技術難關還有很多，有待科學家進一步攻克。

嬰猴機器人——跳高

大家知道，美國著名的NBA球員威廉姆森，豎直彈跳高度達1.18米，這樣的功夫十分了得。然而，美國加州大學伯克利分校研制的名為“Salto”的跳躍機器人，身體充分伸展時，只有一根筷子長，卻能豎直躍起1.2米高。這相當于身高1.7米的人，跳到6米多高！曾經(jīng)的世界跳高冠軍朱建華，身高1.8米，打破世界紀錄的成績是3.36米，這還離不開助跑。

這款單腿機器人的本領不僅限于此，它還能跨越障礙物;當它跳到墻壁上后，如同牛蛙一樣，腿用力一蹬，選擇方向彈開;所以，它有一個雅號：“地形障礙上的跳躍者”。研制者設計這種彈跳高手的靈感，源于最擅長跳躍的動物一一嬰猴。生活在非洲森林的嬰猴，是動物王國中的垂直跳躍冠軍，它能在短短4秒內(nèi)完成5次跳躍，最高可達8.5米，而這款機器人的跳躍能力，達到了嬰猴的78%。

為了在跳躍前能夠積蓄力量，設計師給這款機器人的大腿設置了彈性變形機構(gòu)：當它躍起的瞬間，大腿突然釋放的力量，相當于體重的14倍，如同跳蚤一樣輕松跳起，有92%的時間都處于空中，幾乎是在飛。為了實現(xiàn)連續(xù)跳躍，這款機器人在半空中用“尾巴”和“觸角”上的兩個小螺旋槳控制姿態(tài)，迎接下一次落地彈跳。

這種小巧的機器人最大的能耐，是能“感知”自己所在的位置、朝向及腿的彎曲度，根據(jù)地形決定跳多高、向哪兒跳，以便躍人其他設備或人無法到達的地方，執(zhí)行特殊任務。研制者試圖通過改進，使它能跳得更高更快，適應復雜環(huán)境的工作。

袋鼠機器人——跳遠

袋鼠強健的后腿爆發(fā)力驚人，是用兩條腿跳得最遠的動物。它疾速行進時，可向前躍出13米，如同小轎車在飛馳。如果依照袋鼠的跳躍能力制造一款機器人，跳躍技能肯定出色，可以在機器人比賽中，穩(wěn)拿跳遠冠軍。

德國費斯托自動化公司開發(fā)的一款機器人——電子袋鼠，身高1米多，體重7千克，每次能跳0.8米遠。這種仿生機器袋鼠，用電子器械裝置再現(xiàn)了袋鼠腿部運動原理，復制了袋鼠的彈跳功夫。科學家設計它的初衷，并不是為了在機器人競技中奪魁，而是為了幫助人們理解機械運動中的能量保存，為改進汽車或自動化設備提供幫助。

我們知道，包括袋鼠在內(nèi)的所有動物，全身運動的力量，緣于肌肉的收縮。而電子袋鼠彈跳的動力，既不是電機，也不是人造肌肉，而是裝在腹腔內(nèi)的高壓氣罐。它起跳時，氣罐突然釋放出高壓氣體，以強勁的動力，壓縮腿部復位彈簧，并推動腿部關節(jié)上的連桿，帶動雙腿用力蹬地躍起。接著，隨著這股動力氣體外排，復位彈簧伸張的同時，能帶動雙腿收回，準備下次起跳。

電子袋鼠身上的能量填充系統(tǒng)，能從上次跳躍中收集能量，轉(zhuǎn)移到下次跳躍中循環(huán)利用，從而造就了它非凡的耐力。據(jù)說，為它腹腔內(nèi)氣罐一次性充滿氣，可連續(xù)跳躍6千米。為了跳得更快更穩(wěn)，研發(fā)人員在電子袋鼠腳掌安裝了減震彈簧，相當于袋鼠腳上的兩根蹄筋，落地時起到緩沖作用。它身后的一根尾巴，在騰空時能調(diào)節(jié)身體平衡。

巨臂機器人——舉重

美國軍用機器人研發(fā)公司仿照大黑熊的前肢，打造出了一款巨臂機器人，堪稱智能設備中的大力士。它用一對2.2米長的機械手臂一揮，能舉起近半噸重物，幾乎是世界舉重冠軍成績的2倍。如果與能吊起一輛卡車的普通起重機相比，這實在不算什么，但它畢竟是一部用鋼鐵做的機器，而且由一臺大馬力柴油機提供動力，舉重能力超越人類，完全正常。

不過巨臂機器人的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在智能方面。它的大臂、小臂、手腕、關節(jié)，都是按照人類同等比例設計，十分靈活，可模仿人類的動作，干一些細致的活兒，如整理物品、清空垃圾袋、打開閘門、按下按鈕、連接管道，甚至還能在墻上釘釘子。

更加特別的是，這種機器人可通過VR系統(tǒng)來操控。VR是指虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能通過電腦等設備，把真實場景轉(zhuǎn)化成人能真切感受的情形，如同身臨其境一般，看得見、摸得著、聽得到。據(jù)此，操控者可通過相關工具或設備，影響或改變真實場景中的特定對象。

配備VR系統(tǒng)的巨臂機器人，具有力量反饋功能，當它的機械手臂抓取物件時，操控者手上同時也有抓觸感。這樣，操控者便可根據(jù)這種感覺的強弱，適時控制機械手臂的力度和速度，防止因用力過大而損壞物件。但這一切不會讓人感覺到累，比如機器人舉起500千克重的物體，而操控者手上的重量僅為2.5千克。反過來說，如果讓機器人舉起500千克重的物體，人手的操作力量達到2.5千克就足夠了。所以，如果帶著巨臂機器人去參加舉重比賽，就能達到四兩撥千斤的效果。

魚形機器人——游泳

世界游泳健將菲爾普斯，曾經(jīng)獲得8項游泳金牌，他連連創(chuàng)造的一系列世界紀錄，居然被機器人刷新！

日本一家公司研發(fā)的機器人，能模仿人的游泳姿勢，輕松地進行自由泳、蛙泳、蝶泳、仰泳，甚至是狗刨式游泳和踩水等動作，游速遠超人類。目前，這種機器人只用于測試水流阻力、水質(zhì)和溫度等，以便運動員安全下水。當然，一些不講究的游泳愛好者，可以與它比試水中功夫。

另外，美國加州大學根據(jù)飛蛾的趨光性，研制出的軟體機器人，可依靠光線游泳，無須使用電池或其他電源，能擺脫線繩的束縛，在水中靈活移動。它的動力來源是激光。當激光照射到身體上的某一點，那里的溫度隨之升高，于是體內(nèi)的水受熱膨脹而向外排出，就像火箭噴火那樣，產(chǎn)生反推力，將身體向前送出，實現(xiàn)一次游動。而此時，身體避開激光冷卻下來，外界的水又進人體內(nèi)。只要激光交替照射機器人，這個過程就可無限重復，每分鐘可噴水33次，能游出去很遠。

我國浙江大學的專家，仿照魷魚等動物，用硅膠制成了軟體魚形機器人，當它潛入3200米深的水下，不但身體沒有被壓扁，而且還能以很快的速度游動，堪稱勇闖深海的健兒。原來，它的所有元件和電池，分散嵌在柔軟的體內(nèi)，這樣能承受深海的高壓環(huán)境。而且，它身上連接兩鰭的人造肌肉很特別，當通人電流時，受到刺激就發(fā)生收縮，從而帶動兩鰭劃水游動。

足球機器人——踢球

動畫片《超智能足球》里面的小一號足球機器人，與隊友密切配合，以高超的球技，戰(zhàn)勝了強大的對手，讓人看得熱血沸騰。不過，這種機器人球賽，不全是天馬行空的想象。實際上，足球機器人早已問世，它們代表了人工智能技術的最高水平，屬于機器人中的佼佼者，設計制造它們，要涉及計算機、視覺捕捉、信息傳導、系統(tǒng)論、仿生學等學科。

讓機器人踢球，牽扯到“目標識別”“自主定位”“快速行走”和“正確決策”等智能問題，這就要求它們必須像人一樣，有敏銳的眼睛、靈活的雙腿，當然還離不開反應迅速的大腦，還得通過語言相互交換想法。此外，機器人不但要具備球技，還能分別擔任前鋒、中場、守門員等角色，能相互配合、協(xié)同作戰(zhàn)。

機器人跑步、運球、射門、傳球、接球等一系列動作程序，都事先由人工設定好，并存儲于它們的芯片里。芯片相當于大腦，能判斷球場邊界、球和球門位置，還能識別雙方球員，把握賽場局勢等。當然，還要“牢記”攻防戰(zhàn)術、比賽規(guī)則和安全事項等。更重要的是，知道如何在混亂中進行交流與合作。

北京信息科技大學研制的足球機器人，屬于類人型智能機器人，曾在荷蘭舉行的機器人世界杯大賽中，以3：2的比分，擊敗東道主荷蘭的埃因霍溫科技大學隊，成為該屆世界杯最大黑馬，一舉奪冠，從而在人工智能領域，彌補了華夏兒女在國際足球賽事上的遺憾。

（編輯 文墨）