如何打造英雄

到明年年底，机器人将走进灾区。它们不会滚着走，也不会踩着履带轰隆隆地走。它们会步行，大步走过废墟，大多数情况下，它们都用两条腿保持平衡。与人类急救员相比，这些机器移动缓慢，经常停下来。但它们速度上的不足，却可以用坚韧和易处理性来弥补。化学火灾无法烧灼机器人的肺部，伽马射线缩短机器人的寿命只是后勤障碍，而不是悲剧。

它们将具备机动性，能够做到福岛的机器人无法做到的事情，在充满门、楼梯、破损基础设施和无数其他障碍物的环境中应对危机。以前的类人机器人几乎无法在地毯边缘上行走，而这些系统将不得不爬上梯子并滑入它们自己驾驶的车辆。虽然现在即使是在顶级机器人实验室中，转动门把手的能力也值得庆祝，但这些机器人将打开它们能打开的门，并使用电动工具用锤子或锯子敲开它们打不开的门。

由于灾难往往会使通讯中断或瘫痪，因此这些替代机器人将承担惊人的责任。极少数机器人将是远程操作系统，由使用操纵杆或戴传感器手套的人远程操控。这些机器人将接受来自远方人类的指令，但它们将使用自己的算法来确定如何正确握住 Sawzall、从哪里开始切割以及切割多长时间。

机器人将要面对的灾难实际上是一条障碍赛道，是为为期两年的 DARPA 机器人挑战赛而建，该挑战赛于去年 10 月启动。挑战赛奖金高达 200 万美元，奖励给那些不仅在今年 12 月的正面交锋中取得优异成绩，而且在 2014 年的第二场比赛中获胜的团队。机器人必须执行八项不同的任务，展示人类急救员可能需要的机动性和操控技能。

“从卡特里娜飓风到福岛，再到现在的超级风暴桑迪，我们在一次又一次的灾难中看到的是，人类在灾难早期阶段所能完成的事情往往存在明显的局限性，”挑战赛项目经理吉尔·普拉特说。“DARPA 认为，当情况过于危险时，机器人可以代替人类。”

比赛规则并未明确要求机器人采用人形设计，但任务和环境决定了机器人的设计是合乎逻辑的。从门把手的高度到刹车踏板的位置，几乎所有东西的位置和比例都将适合直立行走的生物。灾难发生时，我们最关心的地方是人类居住和工作的地方——按照我们自己的形象制造的机器人自然是合适的选择。

完成竞赛中的几项任务就已经是了不起的成就了。完成全部八项任务则意义非凡。这可能意味着可行的人形机器人的诞生，这种机器既能干又坚固。这样的机器人可以去人类以前去过但不应该再去的地方，大步走向有毒烟柱或熔毁的反应堆，走进刚刚建成的世界废墟。这些机器人可以成为英雄。

向我走来的机器人看起来确实很壮观。它的脸是黑色的，毫无特色，就像一个翻盖的防暴头盔。它重 26.5 磅，高 5 英尺，其余部分是白色塑料或裸露的合金。如果它静止不动，这个机器人实际上可能有点威风。

但 CHARLI-2 正在移动——而且动作笨拙。它在微型足球场的绿色毛毡和白色胶带上慢步移动，每迈出一小步，整个身体都会颤抖。它一边走一边挥手，扮演着和蔼可亲的名人角色。当机器人跑出高架场地的空间时，它会假装用没有手指的白色残肢挠头。值得庆幸的是，CHARLI-2 不会从边缘摇摇晃晃地掉下去。由于无法弯腰，它缺乏灵活性，无法重新站起来。

这是机器人与机械实验室 (RoMeLa) 的测试区，该实验室位于弗吉尼亚理工大学几间没有窗户的地下室。RoMeLa 的所有机器人（或有腿的机器人）都在这个约 30 英尺乘 30 英尺的平台上迈出第一步，这里也是每年举办的 RoboCup 比赛的练习场。CHARLI-2 在 2012 年的机器人足球锦标赛中赢得了分区冠军，展示了人形机器人世界一流的自主性、敏捷性和速度。

然而，它的步速最高也只有每秒半米左右，比人类的平均步行速度慢两到三倍。双足机器人的制造者就像新手父母一样，惊叹于他们创造的机器人的基本行走能力，摆脱每一次跌倒，并将每一次挫折或成功与最合理的预期进行对比。从这个方面来看，CHARLI-2 就像一个骄傲的幼儿。

但它的寿命已经屈指可数了。它的继任者就在附近，等待着考验。

这台机器人并不像幼儿。它还在开发中，由一对笨重的铝制腿和下半身组成，上半身、手臂和头部都看不见。不过，现有的部件却散发着力量。长长的、类似自行车打气筒的致动器沿着它的腿运行，并散布在构成它的下背部的地方。这个原型是最终被称为 THOR（战术危险作业机器人）的机器的基础。

“CHARLI-2 是一项老技术，”RoMeLa 总监 Dennis Hong 说道。然后他指着尚未完成的机器人说道。“这是未来，但有一个很大的假设——如果成功的话。它确实会走路，”他说道，“但它真的能做到 DARPA 要求的所有事情吗？”

THOR 团队由来自 RoMeLa、宾夕法尼亚大学和两家商业机器人公司的研究人员组成，洪担任团队负责人。尽管 DARPA 机器人挑战赛 (DRC) 的首次试赛要到 12 月才开始，但该团队已经赢得了该比赛最令人垂涎​​的奖项之一——它是被纳入 A 组比赛的七支队伍之一，因此有资格获得高达 400 万美元的硬件和软件开发奖金。

但并不是这项成就让 THOR 团队成为领跑者之一。也不是 RoMeLa 过去的成功：CHARLI-2 和实验室的小型人形机器人 DARwIn，后者也在 RoboCup 中赢得了其尺寸级别的冠军。洪的秘密武器就是这个部分人形机器人，他的实验室在机器人挑战赛宣布前近一年就开始研究它。它也是一个同样听起来不可能的人形机器人项目的原型——SAFFiR，即船上自主消防机器人。

SAFFiR 是美国海军研究办公室的一项合同的一部分，该合同旨在制造坚固耐用、性能超强的消防机器人。其工作类似于 DARPA 提出的工作：它必须走进危险地带，在能见度低的地方航行，并在不稳定的环境中保持平衡——在本例中，是海上船舶的大厅和甲板。但 SAFFiR 的工作也不同于 THOR——它必须遵循人类的口头和手势命令，要么将灭火罐扔进火中，要么用背负式系统近距离用水管冲洗火焰。

SAFFiR 为 Hong 的团队提供了明确的先机。由于这两个项目的目标重叠，SAFFiR 的研究成果将适用于 THOR，反之亦然。相同的基本工程，通过不同的工具和能力进行专门化，最终可以完成两项工作。从理论上讲，这就是人形机器人的优势：能够适应并完成各种任务，无论是跨过船上高高的“膝盖敲击”门槛，还是爬过岸上灾难现场移动的瓦砾。

到目前为止，THOR 团队几乎完全专注于机动性。操控性（握住方向盘、电动工具和梯子横档的能力）在未来将非常重要，但快速稳定地移动才是最紧迫的问题。毕竟，如果人形机器人无法可靠地完成任务，谁还会在乎它如何操作气锤呢？

双足运动一直是人形机器人的一大希望，也是一大危险。它将使机器能够更好地适应各种环境，尤其是为人类设计的环境。但这非常困难。它也非常危险——几乎任何跌倒都可能是灾难性的。这就是为什么像 CHARLI-2 这样的机器人会采取如此谨慎的步伐，使用通常称为位置控制系统的系统仔细调整每只脚的确切位置。

CHARLI-2 或本田的 Asimo（在迪士尼乐园的明日世界中，可以行走、跳跃和跳舞的人形“助手”）通常在其关节中嵌入执行器，可以旋转以弯曲或伸直每条腿。随着其行走速度的增加，这些马达旋转得更快，但机器人会达到功能速度极限；它不能像人类开始跑步时那样让动量接管。它们的关节过于僵硬，并且它们的算法需要不断估算肢体的位置。它们的移动方式与人类不同，我们时刻在失衡和恢复之间摇摆不定。仅使用位置控制的机器人必须知道其下方地形的确切几何形状。

相比之下，RoMeLa 的新机器人采用了力控制。它的设计和功能更符合生物特性。“主要区别在于线性串联弹性致动器，”洪说。“我们的机器人灵感来自人体解剖学。我们的致动器可以像人体肌肉一样伸展和收缩。”

执行器呈长圆柱形，大致位于肌肉所在位置；它们的作用也与肌肉相似，钛弹簧可为每一步提供减震，并具有从一步到下一步的弹性。这些特性使机器人也能使用力控制：它可以提高其驱动速度，使模拟肌肉更加努力地工作，并克服当位置控制软件无法完美预测每一步时出现的算法恐慌。因此，它也有更多的机会恢复平衡。CHARLI-2 可能会因僵硬的双腿而立即跌倒，而这种设计可能会尝试将跌倒变成蹲下。通过平衡力和位置控制，机器人可以以更接近人类的松散、即兴（最终更高效、更有力）的方式移动。

类似肌肉的执行器和更灵活的控制方案的好处是速度更快、稳定性更高，并终结胆小怕事的双足机器人时代。这款机器人将迈出跨越地形的长步，每一步都有真正的弹簧。它将大胆地移动——因为它需要这样做。

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当他第一次读到 DARPA 为 DRC 发布的广泛机构公告时，尼古拉斯·拉德福德犹豫了。作为 NASA 的 Robonaut（目前正在国际空间站进行测试的人形机器人）的副项目经理，他非常了解人形机器人能做什么和不能做什么。“听起来就像是一个六岁小孩写的，”他说。“然后我们会让它开车，然后我们会让它爬梯子，然后操作泵！”

DRC 的设计夸张，无疑是历史上最难的机器人竞赛。这种大胆的比赛风格让工程师们难以抗拒。除了本田这个明显的例外——Asimo 仍可能出现在没有资金支持的 D 赛道，该赛道的截止日期较晚——DRC 吸引了世界上最好的人形机器人实验室。除了 THOR 队，A 赛道还包括两支来自 NASA 的队伍、一支来自卡内基梅隆大学的队伍（该校赢得了 DARPA 的上一次机器人挑战赛，即一场无人驾驶汽车比赛）、一家从东京大学分离出来的公司，以及国防承包商雷神公司的外卡参赛队伍。

B 和 C 赛道的团队只设计软件，但他们将使用波士顿动力公司（以四足 BigDog 系统而闻名）制造的机器人进行竞争。波士顿动力公司以 PETMAN 和 Atlas 原型为基础，这款由政府提供的机器人有望成为迄今为止最强大的人形机器人之一；强大的液压致动器使其能够跨越空隙。2014 年决赛将有 8 个机器人参赛，它们代表了所有赛道中总分最高的机器人，因此波士顿动力机器人和 A 赛道最佳机器人之间的对决几乎是不可避免的。

尚不确定的是，决赛中是否有机器人能够完成全部八项任务。首先，存在机动性挑战：机器人必须穿越碎石和工业环境。但是，没有一个人形机器人能够长时间在崎岖的地形上行走，而受昆虫启发的六足机器人虽然更稳定，但在岩石和瓦砾上移动速度却非常缓慢。 THOR 团队认为其执行器是这一领域的一大优势。总部位于东京的 SCHAFT Inc. 团队之前还展示了一款极其坚固的人形下肢 HRP3。该机器人坚如磐石的平衡性和强大的液冷电机驱动器可能是一大优势。 THOR 和 SCHAFT Inc. 的机器人都非常适合爬梯子，据 Hong 称，这项任务几乎完全由强有力的双腿完成，双手只需握住梯级即可防止机器人翻倒。

操作性任务包括开门和关闭漏水阀门，风险并不大：一个手忙脚乱的螺丝刀比摔倒在地更不可能让机器人出局。但目前，参赛者中没有一个具有明显优势。拉德福德在约翰逊航天中心 (JSC) 的团队正在部署一个机器人，其核心技术部分源自 Robonaut，它有极其灵巧的五指手。Robonaut 已经能够处理宇航员在太空行走期间使用的工具和界面，无论是自主操作还是通过遥控操作。如果 JSC 的未命名参赛机器人像 Robonaut 一样灵活，并且如果该团队增加一个能够到达赛道中各个目的地的下半身，它可能会出色地完成更换部件和使用电动工具等任务。

还有一种可能性是，尽管以人为本的挑战层出不穷，但功能最全的机器人可能会完全采用另一种形式。人形机器人尚未走进我们的生活是有充分理由的：用钢铁和锂离子电池复制我们自己成功的双腿双臂生理机能是很难做到的。“人类在行走时的能源效率比最好的人形机器人高 15 倍，”拉德福德说，“而人类脂肪储存的能量密度是电池的 30 倍。这对于这些系统来说是一个显著的劣势，开箱即用。”

“机器人不必受人类进化的限制。如果我们需要在某个特定位置安装摄像头，我们就会把它放在那里。”卡内基梅隆大学的 A 轨道参赛机器人是受灵长类动物启发的 CHIMP，它将自由地从两肢运动转变为四肢运动，以更好地越过障碍物。NASA 的另一支 A 轨道参赛团队来自其喷气推进实验室 (JPL)，计划推出四肢机器人 RoboSimian 的一个版本，这是一种生物机电多样性的混合体，其设计和动作既像猴子，又像海洋生物。

“虽然 DARPA 机器人挑战赛中的一些机器人外形类似人类，但我们知道其他机器人不会，”DARPA 的普拉特说。“我们追求的是与人类的兼容性。” CHIMP 或 RoboSimian 的胜利不仅会毁掉其他团队获得 200 万美元奖金的机会，还会从根本上改变整个人形机器人领域——让它们从事的工作更看重外表而非动作。既然四足机器人更胜任，为什么还要追求两足英雄呢？

JPL 从大自然中挑选出各种特性和方法来建造 RoboSimian；它的触手状、近乎放射状的对称性模仿了海星。JPL 机器人车辆和机械手小组主管 Brett Kennedy 表示：“人类拥有这些非常衍生的结构。我们的头部和颈部以及我们身体其他部分的结构，都是为了将​​视觉等特定功能放在我们需要的位置。但机器人不必受到我们进化的限制。如果我们需要在某个特定位置安装摄像头，我们就会把它放在那里。”

RoboSimian 没有前部、后部或侧面。这种极其高效的设计可能使它成为一个强大的竞争对手，但要到 12 月才会显现出来。其他机器人在进出多用途车辆时可能会非常笨拙，甚至会失去平衡，从而造成危险——人形机器人必须旋转并重新调整方向——而 RoboSimian 应该能够轻松地走入驾驶座。在部署了三辆性能良好的火星探测器后，JPL 已经学会了如何让机器人在能源储备和通信线路有限的情况下，在恶劣、不可预测的环境中工作。这些系统会响应命令，但由于地球和火星之间有 8 分钟的无线电延迟，它们必须自动执行几乎所有命令。对于 Kennedy 和他的团队来说，DRC 可能只是办公室里的又一天。

洪曾与肯尼迪合作开发过 RoboSimian 的前身之一，他预计 A 轨道的所有团队都会面临激烈的竞争。但在 JPL，他看到了一个生存威胁。“非人形机器人真的能做到所有这些事情吗？”洪说。“如果他们能做到，这将彻底摧毁我关于为什么我们需要人形机器人的整个理念”——在人类环境中进行机动。“但如果他们做不到，这对我们来说是件好事，”他说。“这可能证明我完全错了，也可能证明我完全正确。”

在 CHARLI-2 刚刚穿过的同一块测试场地上，THOR 和 SAFFiR 的前身迈出了今天的第一步。这个东西确实很危险：它的执行器随着每次移动而发出呜呜声，截断躯干顶端的蓝色指示灯也给人一种不祥的感觉。它行走时被拴在一个带轮子的碳纤维和铝制龙门架上（以防它跌倒时抓住它），龙门架上有一个琥珀色警告灯和鲜红色的紧急停止按钮。它的手臂仍在制造中，其力量将与成年男子大致相同。但它的腿却是超人的。据 RoMeLa 团队成员称，腿意外地穿过了他们放置在脚跟和脚踝之间作为缓冲的铝合金。这个机器人已经比团队预测的更强大了，能够以比眼睛跟踪的速度更快地向前挥动双腿。

但它的运动并不完全是科幻噩梦中的东西。尽管它拥有强大的力量和肌肉，但原型机器人的速度却很慢。当然，这只是它行走的第三天，它使用的算法是从 CHARLI-2 借用的。因此，虽然它的脚步更长，执行器更快，但我看到的只是它最终速度的一小部分。RoMeLa 希望证明双足机器人也能更经济地利用能源；如果线性系列弹性执行器的性能符合预期，它们可以缩小生物和机器人之间的效率差距。一个行走时消耗的能量只比人类多五倍的人形机器人将是一个重大的工程突破。

功率一直是机器人技术中令人担忧的问题，但在今天的测试行走中尤其成问题。这种人形机器人设计的优点之一是，执行器可以在每一步中回收少量能量，类似于再生制动
在混合动力汽车中。但右膝出现了问题。它回收了太多能量，因此电流激增并触发自动关机，导致机器人翻倒。至少这是假设。后来，当机器人静止不动，主动保持平衡时，洪将自己推到机器上。它 66 磅重的框架承受了他整个身体的重量，没有弯曲或遭受严重的功率激增。膝盖不能承受太大的压力。它的功率激增似乎是随机发生的。

首先，它们可以拯救生命。然后，它们可以让你在周末不用做家务。RoMeLa 团队记录数据并继续前进。接下来还有几个月甚至几年的故障排除工作。一些解决方案将针对手头的任务。但其他解决方案将适用于在人类世界中运作的大型机器人企业。“高风险、高回报项目最伟大的例子就是人形机器人，”洪说。“如果它能灭火，那么你可以用它来拖地、做饭、给你送东西。这就是为什么我称它为机器人中的瑞士军刀。如果你成功了，你可以用它来做几乎所有的事情。”

这是 THOR、SAFFiR 和其他类人机器人原型的长期承诺：它们将引领最初几代受限的、价值数百万美元的系统，随着复杂部件的实地测试和大规模生产的开始，一切都将变得更便宜。用于军事和医疗任务的机器人将为消费者模型铺平道路，这些模型可以帮助老年人和残疾人、除草和洗衣服。首先，它们将拯救生命。然后，它们可以将周末从家务中解放出来。

RoMeLa 工程的首次公开测试将于今年 11 月进行，届时 SAFFiR 将登上 USS Shadwell，这是一艘二战时期退役的船只，目前停靠在阿拉巴马州莫比尔。它可能不会喷洒任何软管或投掷任何罐子，而是四处走动，以适应海上生活。一个月后，THOR 将参加其第一项任务。其他试验将紧随其后，包括海军托盘火灾和 DRC 模拟灾难，这两项试验均定于 2014 年进行。

无论 DARPA 机器人挑战赛的结果如何（即使它指向的是由性能最佳的肢体、姿势和控制方案组成的混合机器人），真正的问题并不是机器人是否能够为积极、有意义的部署做好准备。正如 DARPA 的 Grand 和 Urban Challenges 加速了机器人汽车的发展并最终促成了谷歌的无人驾驶普锐斯一样，机器人挑战赛将推动真正有能力的机器人的发展。比赛结束后，它们何时以及如何进入社会将只是个问题。

机器人可能还需要十年或二十年的时间才能出现在医院，帮助病人上下病床，或者在最寒冷的冬季出现在建筑工地，进行全机器人值夜班。但在此之前，你可能会看到像人一样的机器走进灾难现场。也许它们会出现在网上，在手机拍摄的抖动镜头中一瞥而过。或者，也许你会亲眼看到一台机器人在烟雾中若隐若现，伸出手去握住你的手。

埃里克·索夫格 (Erik Sofge) 为《大众科学》杂志 2012 年 11 月刊撰写了有关未来太空服技术的文章。这篇文章刊登在该杂志 2 月刊上。