如何讓機(jī)器人在火星上行走？

赤道

火星車需要足式機(jī)器人

來認(rèn)識一下SpaceBok，這是一個四足小機(jī)器人，它，正準(zhǔn)備向紅色星球“殘酷”的地形邁出第一步。

站在土壤中的SpaceBok機(jī)器人? 圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

從1997年登錄火星的火星車到今年2月降落的毅力號，這顆紅色星球的機(jī)器人都有一個共同的特征：輪子驅(qū)動。滾動遠(yuǎn)比步行更穩(wěn)定、更節(jié)能，學(xué)習(xí)人類行走的能力即使是地球上的機(jī)器人也難以掌握，你難以想象昂貴的火星探險家像烏龜一樣翻倒之后的尷尬局面。

然而，輪子的問題在于它們限制了漫游者的去向：為了探索像陡峭山丘這樣復(fù)雜的火星地形，機(jī)器迫切需要進(jìn)化為地球上的動物提供的那種腿。因此，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和德國馬克斯普朗克太陽系研究所的一組科學(xué)家一直在玩一種名為SpaceBok的小型四足機(jī)器人，旨在模仿一種被稱為跳羚的羚羊。

正如它的名字一樣，現(xiàn)實生活中的跳羚在非洲沙漠中蹦蹦跳跳，或許是為了迷惑捕食者。該機(jī)器人于2018年推出的最初概念實際上是讓它在月球表面跳躍，就像宇航員在月球引力較弱的情況下所做的那樣。這可能適用于我們的衛(wèi)星，那里的地形相對平坦，但在火星上，考慮到復(fù)雜的地形——到處都是沙子、巖石和陡峭的斜坡，這可能太冒險了。所以現(xiàn)在研究人員正在修改它的四肢和步態(tài)，看看它是否能夠處理更殘酷的地形。

靜態(tài)步伐和動態(tài)步伐的實驗

在這些新實驗中，該團(tuán)隊對SpaceBok進(jìn)行了編程，使其步態(tài)更加傳統(tǒng)、彈性更小。具體來說，研究人員想比較兩種步態(tài)：一種是“靜態(tài)”步態(tài)，在任何給定時間內(nèi)至少有三只肢體與地面接觸;另一種是“動態(tài)”步態(tài)，其中不止一個肢體可以離開地面。前者更有條理，但后者效率更高，因為它可以讓機(jī)器人移動得更快。

?機(jī)器人平面腳底板設(shè)計成了扁平的旋轉(zhuǎn)圓盤

研究人員還為SpaceBok配備了兩種支腳：點支腳和平面支腳。尖足的表面積很小，有點像真正的跳羚的蹄子。相比之下，平面腳實際上是扁平的旋轉(zhuǎn)圓盤，當(dāng)腳與地面接觸時會彎曲成一個角度。說真的，它們就像帶防滑釘?shù)难┬?，布滿了幫助腳抓地的凸起物。

研究人員為了定制機(jī)器人的不同步態(tài)和步伐配置，把它放在一個巨大的傾斜沙箱中，沙箱里裝滿了與火星上發(fā)現(xiàn)的土壤相似的材料。配置允許機(jī)器人爬上25度平面，并通過監(jiān)控機(jī)器人的能源使用情況，量化步態(tài)和腳的每種配置效率。

描述這項工作的資料預(yù)印本，已被發(fā)表在《FieldRoboLics））《野地機(jī)器人》雜志上，他們表明該機(jī)器可以靈巧而有效地爬上模擬的火星山丘而不會翻倒。該研究的主要作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人專家亨德里克·科爾文巴赫說：“我們想證明，如今這些動態(tài)工作的系統(tǒng)實際上可以在火星沙灘上行走，這是一項未來具有很大潛力的技術(shù)?！?/p>

有趣的是，機(jī)器人使用扁平足和尖足都可以很好地爬上山坡。平面腳底的機(jī)器人可以停在沙子上，尖頭版本腳底的機(jī)器人會下沉，提供一種錨點固定機(jī)身。

“一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，尖腳在這個特定的斜坡上表現(xiàn)也不太差?！笨茽栁陌秃照f。至少對于這種模擬的火星土壤來說是這樣。在實際的紅色星球上，沙子中可能隱藏著巖石——如果機(jī)器人路過，它可能會摔倒。埋藏的巖石是特別具有挑戰(zhàn)性的障礙物，因為機(jī)器人無法用相機(jī)檢測到它們。

研究人員可以為SpaceBok配備攝像頭進(jìn)行自主導(dǎo)航，但在實驗中，它是盲目行走的。在布滿沙子的巖石地形的情況下，具有尖腳的機(jī)器人更有可能撞到隱藏的石頭。研究小組發(fā)現(xiàn)，扁平足使機(jī)器人行動變慢，但占的形狀使其更有可能安全地越過障礙物。

但是扁平足也有一些缺點。由于沙箱是有角度的，里面的材料滑動是另一個大挑戰(zhàn)。想一想當(dāng)你爬上沙丘時，腳邊出現(xiàn)沙崩時會發(fā)生什么。如果沙子在你下方不斷移動，則需要更多的能量才能爬上那個斜坡——你既要與斜坡作斗爭，又要與流沙作斗爭，極度消耗體能。而對于SpaceBok來說，扁平足造成了更多的表面干擾，增加了滑移。

機(jī)器人嘗試用平面腳進(jìn)行靜態(tài)步態(tài)實驗

所以，理想的設(shè)計可能介于兩種腳底板設(shè)計之間?？茽栁陌秃照f：“我認(rèn)為與尖足相比，肯定需要增加表面積，因為在火星上真的需要避免沙地下沉事件，一旦陷在那里你可能再無法出去了。”未來，研究人員需要為SpaceBok改進(jìn)，讓它可以實時修改其表面積以適應(yīng)不同種類的土壤。

此外，四足機(jī)器人的步態(tài)也需要類似的靈活性，與使用更接近四足動物移動方式的動態(tài)運(yùn)動相比，機(jī)器人在靜態(tài)時更安全，其中它始終保持至少三條腿在地面上。但當(dāng)SpaceBok試圖爬上斜坡時，推動前進(jìn)的腿會讓速度受限?？茽栁陌秃照f：“在動態(tài)運(yùn)動中，至少有兩只腳推動機(jī)身，所以還需要一些能量來承擔(dān)機(jī)器人自身的重量，保持平衡顯得不那么容易?！?h3>適應(yīng)地形的“實體化”趨勢

未來的SpaceBok需要改變其步態(tài)以及腳的形狀。在平原上，它可以使用動態(tài)步態(tài)更快地移動并節(jié)省能量。當(dāng)它試圖爬上特別崎嶇的山丘時，它可能會切換到靜態(tài)步態(tài)以更安全地行走，從而犧牲能量避免從斜坡上掉下來。

尋路策略也很重要。在這些實驗中，SpaceBok配備了一種算法，可以監(jiān)控其能源使用情況，以自動確定最有效的路徑。這產(chǎn)生了一種“緊急”行為，其中機(jī)器人在爬升時選擇了“之”字形折返，而不是迎面沖上山，因為后面一種模式更耗電。

挪威機(jī)器人專家特恩斯·尼加德表示，機(jī)器人的硬件、軟件和周圍環(huán)境之問的這種密切相互作用是“實體化”機(jī)器人技術(shù)大趨勢的一部分。借助自身機(jī)器人技術(shù)，工程師們正在訓(xùn)練機(jī)器適應(yīng)困難的地形。理想情況下，在火星上行走的機(jī)器人具有類似的適應(yīng)性，特別是因為它需要高度的自主權(quán)，這要?dú)w功于地球的通信延遲。

不受輪子限制的機(jī)器人的前景令研究人員感到興奮，他們對調(diào)查沙地或陡峭地形有著濃厚的興趣?！拔覀兘?jīng)常對這些區(qū)域感興趣，尤其是隕石坑，那里曾經(jīng)有過古老的湖泊?！泵绹鴩液娇蘸教觳┪镳^的行星科學(xué)家瑪麗·亞貝克說，她曾在洞察號著陸器以及好奇號和毅力號上工作過，“那些星球是曾經(jīng)有流水的地方，很可能有過生命。隨著我們建立新的穿越和探索方式，可能使用這些新型機(jī)器人，打開我們以前無法探索的地球部分?！?p>

帶有尖腳底部的動態(tài)步態(tài)

那么，SpaceBok的升級版可能會加入多樣化的科學(xué)機(jī)器人大軍，去尋找火星生命?！白闶綑C(jī)器人可能無法取代太空中的輪式機(jī)器人?！蹦峒拥抡f，“但它們絕對可以帶來寶貴的貢獻(xiàn)，并在團(tuán)隊中發(fā)揮重要作用?！?/p>