機器人的“軟硬兼施”

張敏

說起軍用機器人，大多數(shù)人首先聯(lián)想到的就是電影《終結(jié)者》里由金屬材料制成的機器人，或是輪式、履帶式、配備有機械手和傳感器的笨拙機器。日前，一段人形機器人完美玩轉(zhuǎn)后空翻的視頻在互聯(lián)網(wǎng)上流傳開來，使人形機器人阿特拉斯一舉成為“網(wǎng)紅”。以希臘神話中力大無窮、可雙肩支撐蒼天的擎天神來命名，阿特拉斯果然不負眾望，標志著機器人研究領(lǐng)域的又一次飛躍。當然，更令人吃驚的還有下面這種“以柔克剛”的機器人。哈佛大學(xué)發(fā)明了全球首個全自動章魚仿生軟體機器人“八爪怪”，軟體機器人領(lǐng)域的科學(xué)研究即將進入飛速發(fā)展的突破性階段。其實，無論是“軟”還是“硬”，開展此類機器人研究背后都有著來自軍事應(yīng)用的巨大需求牽引，這些“軟硬兼施”的機器人，也將在未來戰(zhàn)場發(fā)揮獨特的作戰(zhàn)效果。

這個“后空翻”不簡單

現(xiàn)有的機器人“王國”包括固定、輪式、履帶式、雙足及多足等不同“種群”。以雙足和多足為主要特征的腿足機器人對惡劣地形環(huán)境適應(yīng)能力更強、研制難度更高，代表著機器人研究領(lǐng)域的技術(shù)巔峰。長期以來，各軍事大國都對腿足機器人研究展現(xiàn)出強烈興趣。

通過不斷改進升級，美國國防部高級研究計劃局資助的阿特拉斯機器人，站立后身高可達1.75米，重約80千克，可以走路穿越各種地形、攀爬并扛起重物，手部還能完成開門和抓取物體的動作。那么，此次阿特拉斯進軍“體操界”，為何驚艷世界？后空翻畢竟是個難度極高的動作，常人幾乎無法企及，體操運動員也要訓(xùn)練多年才能完成。于人不易，于機器人更難。

阿特拉斯本身就是個“膘肥體壯”的大型雙足機器人，除在移動過程中要保持平衡外，還需要用雙腿來平衡體積龐大的上半身。為完成“后空翻”這個看似不可能完成的任務(wù)，阿特拉斯從起跳、空翻到平穩(wěn)著地，整個過程需要手、腳、腰同時運動。它的“大腦”必須通過數(shù)學(xué)公式預(yù)先精確計算、規(guī)劃好各個部件運動線路、方向和角度，然后機械地控制起、轉(zhuǎn)和落地。

萬事開頭難。就起跳而言，阿特拉斯需要提前對整個過程進行精確規(guī)劃。更重要的是，阿特拉斯要有強勁有力的“雙腿”。即便是跳起來了，如果力量不夠大，就不能給翻轉(zhuǎn)留出足夠的時間，更談不上后續(xù)的動態(tài)調(diào)整。阿特拉斯目前已經(jīng)配備了內(nèi)置電池驅(qū)動，通過有效的電量管理，可在瞬間爆發(fā)出驚人的巨大能量。

其實，空中翻轉(zhuǎn)過程才是真正“見功夫”的地方。阿特拉斯是一個多自由度、多剛體的機器人系統(tǒng)，姿態(tài)的精準控制異常復(fù)雜，需要機器人體內(nèi)各類姿態(tài)傳感器實時回傳姿態(tài)參數(shù)。通過匯聚來自“身體”各個部位的姿態(tài)信息，阿特拉斯的“運動中樞”才能根據(jù)算法進行控制決策，不斷優(yōu)化各個部位的參數(shù)指標。在空中的阿特拉斯處于拋物線運動狀態(tài)，必須通過改變姿態(tài)在落地前找準“亮相”的最佳姿態(tài)。

即便是一路“闖關(guān)”即將落地，阿特拉斯要想“平安著陸”也遠沒有想象的那么簡單。落地過程需要應(yīng)對沖擊處理和保持平衡。無論是何種接觸面，阿特拉斯在與地面接觸的瞬間都將受到巨大的接觸撞擊。利用液壓伺服控制系統(tǒng)，可以有效減輕瞬間沖擊力。阿特拉斯的腳部也會安裝多維力傳感器，對腳的受力狀態(tài)進行輔助控制。同時，落地一瞬間阿特拉斯的“關(guān)節(jié)”位置上移或下移一點，都有可能導(dǎo)致重心不穩(wěn)而摔倒，因而對精準控制也提出了更高要求。

當然，通過身上搭載的激光雷達和各類傳感器，阿特拉斯還擁有了避障和識別物體的能力。人們曾經(jīng)讓阿特拉斯在一塊2厘米寬的木板上“金雞獨立”，它竟然成功堅持了20多秒。如今，阿特拉斯再次解鎖“新姿勢”，除可實現(xiàn)漂亮的后空翻外，它還變得更加輕便靈巧。即便是后空翻失誤一不小心摔倒了，它也能自己爬起來，堪稱人形機器人領(lǐng)域的“生命奇跡”。

軟體機器人也有“七十二變”

未來的某一天，當你在街頭遇到一只大搖大擺的“章魚”，甚至它還會對你點點頭、揮揮爪，請不要驚慌，這是目前已經(jīng)研制成功的軟體機器人。不久前，哈佛大學(xué)就研制出一款名為“Octobot”的軟體機器人。這款軟體機器人只有手掌大小，自帶運動燃料，可通過調(diào)控內(nèi)部氣體實現(xiàn)自主運動，既不需要連接計算機獲取指令，也不包含任何電子元件，不禁令人嘖嘖稱奇。由于Octobot采用3D打印技術(shù)配合柔性材料制造，因而具備了完全柔軟的“身體”。

軟體機器人可不同于一般的鋼鐵“硬漢”，其采用的結(jié)構(gòu)和材料包括硅膠、液晶等彈性物質(zhì)，具有較高的自由度，不僅可以較好地適應(yīng)外界環(huán)境，更可在外力作用下巧妙變身。軟體機器人理論上具有無限多自由度，可實現(xiàn)靈活彎曲、扭轉(zhuǎn)，即使遭受到外界撞擊也不會對自身產(chǎn)生大的傷害?；谶@一優(yōu)良血統(tǒng)，軟體機器人可在空間狹小、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下完成常人難以匹敵的復(fù)雜任務(wù)。

“八爪怪”軟體機器人其實相當于一個氣動導(dǎo)管，通過內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體聚集壓縮，并利用氣體的壓強變化實現(xiàn)機械運動。以往的軟體機器人在運動上都存在通病，由于供能和控制部分通常需要連接機器人軀體，軟體機器人在移動時背后經(jīng)常拖著長長的電線，嚴重影響了軟體機器人的自主運動。如今，“八爪怪”軟體機器人通過軀體內(nèi)部集成的運動器和控制系統(tǒng)自主運動，真正實現(xiàn)了健步如飛乃至飛檐走壁。

與普通機器人相比，軟體機器人可通過內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)實現(xiàn)顏色可變發(fā)光，并可通過充氣增壓和通道膨脹實現(xiàn)快速移動。目前研究的軟體機器人可在30秒內(nèi)迅速變身，一旦完成顏色轉(zhuǎn)換，顏色層就不再需要動力來維持色彩，移動到特定位置后常常與背景難以區(qū)分。同時，一些軟體機器人在設(shè)計之初就巧妙參照了仿生模型外觀，利用3D打印工藝制造出來后簡直可以“以假亂真”，肉眼不仔細觀察真的難以分辨。

事實上，軟體機器人的生產(chǎn)并不復(fù)雜，制作工藝相對較為簡單。軟體機器人“八爪怪”的“大腦”，是一個可控制八個觸手運動的柔性微流控制芯片。在“八爪怪”出生的“產(chǎn)房”里，可以看到3D打印機、章魚形狀模具和用于3D打印的鉑金屬墨水等特殊材料。生產(chǎn)軟體機器人時，首先將特殊材料倒入章魚模具中覆蓋微流控制芯片，之后通過3D打印機在軟體機器人的身體里打印出可用于傳遞氣體的中空管道。這個管道可實現(xiàn)軟體機器人的身體與“大腦”相連接并實現(xiàn)信息傳遞。再經(jīng)過一系列特殊的化學(xué)反應(yīng)，一個栩栩如生的章魚軟體機器人就誕生了。

掀起機器人家族的朵朵浪花

西方世界最早對機器人的探索可追溯到達芬奇時代。早在1495年，達芬奇就在手稿中設(shè)計出一個仿人型機器人。如今無論是人形機器人還是軟體機器人，都憑借著其“一身特長”正掀起機器人家族的朵朵浪花。

從1992年開始，美國國防部高級研究計劃局就投入巨資資助波士頓動力公司開展軍用機器人的研究工作。除一手打造了“網(wǎng)紅”機器人阿特拉斯之外，他們還有一款腿足機器人因酷似“木牛流馬”至今為人津津樂道，那就是大狗機器人。大狗的真名為“步兵班組支援系統(tǒng)”，是由波士頓動力公司與美國國防部高級研究計劃局共同研制的產(chǎn)物。大狗體重109千克，奔跑速度可達6.4千米/小時，最大爬坡度35度。與其說大狗是一只“機器狗”，還不如說它是一只“機器騾子”。大狗主要模仿四足動物，在地形復(fù)雜的戰(zhàn)場上運送物資，能夠攜帶輜重在崎嶇不平的山路上行走30千米。不過，看起來不錯的大狗被送到阿富汗前線后，使用起來聲音極大，影響隱蔽性，且戰(zhàn)場上難以修理，這才沒有被正式列裝到美軍作戰(zhàn)部隊。

美國研制的大狗機器人，還專門配備了能控制軀體移動并處理傳感數(shù)據(jù)的“智能芯片”，可在不同地形選擇不同的運動和導(dǎo)航方式。美國國防部資助的“獵豹”機器人恐怕是世界上速度最快的機器人，時速可達45千米，采用的就是模仿獵豹的四足運動模式。目前人們還研制出名為“Petman”的機器人，甚至能在跑步機上完成鍛煉，走路下蹲更是不在話下，足可見其強悍的運動能力。另一款腿足機器人RHex則“進化”出6條可旋轉(zhuǎn)的機械腿，不僅能穿越各種復(fù)雜地形，還能在潮濕地區(qū)執(zhí)行任務(wù)，即便是摔落山崖也能安然無恙。同時，腿足機器人也具有較好的“容錯性”，即便是一個肢體發(fā)生故障，其他肢體依舊能夠保持正常的作業(yè)。這也是相比輪式和履帶式機器人的一大優(yōu)勢。

當然，軟體機器人也是毫不示弱。傳統(tǒng)的剛性機器人具有負重比低、柔性度差等先天缺陷，對環(huán)境適應(yīng)能力也有待提高。相比之下，軟體機器人堪稱機器人家族的集大成者，更加適應(yīng)未來的機器人智能應(yīng)用。由美國國防部高級研究計劃局和哈佛大學(xué)聯(lián)合研制的軟硅膠材料機器人，不僅可通過自身變形穿過狹小的縫隙“無孔不入”，更能牢牢攀附在任何物體表面上，還可通過改變“皮膚色調(diào)”與周圍環(huán)境融為一體。更令人驚嘆的是，這款軟體機器人可在黑暗處發(fā)光并改變自身溫度，而它由于使用模具制造，設(shè)計成本只有不到100美元。

無獨有偶，由波蘭研究人員研制成功的軟體機器人，身體由液晶彈性體組成，可通過收縮推動身體進行移動，就如同毛毛蟲爬行一般。這款軟體機器人最大的亮點是可接受外界光的控制，當感受到外界光源變化時，機器人的形狀也會發(fā)生相應(yīng)變化，外界光的刺激更可以促使其身體產(chǎn)生相應(yīng)的收縮移動。通過對光源進行控制，這款軟體機器人能完成爬陡坡、鉆進極其狹小空間等各種特殊任務(wù)。別看軟體機器人個頭小，它可是力大如牛，能輕易推動比自身個頭大10倍的物體，甚至還可以在身體上安裝微型攝像頭和麥克風(fēng)，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、應(yīng)急救援等領(lǐng)域。

現(xiàn)有的軟體機器人大多參照自然界中的章魚、海星等軟體生物進行外觀設(shè)置，相似度極高。希臘研究人員利用硅膠樹脂研制出的章魚機器人，放在水中移動時，甚至?xí)行◆~跟在身后游動。美國研究人員研制的GoQBot 軟體機器人具有和毛毛蟲一樣的滾動彈射能力。歐盟資助的“章魚觸手”項目通過研究章魚本體和觸手的全局協(xié)同運動和控制機理，開發(fā)了可在水下工作的仿生章魚觸手，并形成了一套行之有效的控制方法。

“機甲戰(zhàn)士”改寫未來戰(zhàn)場

早在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場上，美軍的軍用機器人就已經(jīng)大展身手。但這些機器人大多是輪式或履帶式，在實際戰(zhàn)場應(yīng)用中存在諸多限制。傳統(tǒng)輪式機器人越障能力差、地形適應(yīng)能力不高，且容易出現(xiàn)打滑、不夠平穩(wěn)等問題。履帶式機器人對地形要求同樣較高，遠沒有人們想象的機器人那么靈活方便?？此苾疵偷臋C器人“大兵”上了戰(zhàn)場，總有那么一種“呆頭呆腦”的感覺。

相比之下，腿足機器人能站立、行走和奔跑，代表著未來軍用機器人的重要發(fā)展方向。阿特拉斯如今不斷解鎖“新技能”，不僅激發(fā)了人們對于機器人的無限遐想，更有望實現(xiàn)美國國防部研制“機器士兵”的夙愿?；蛟S不久的將來，軍用機器人就將“跑步”上戰(zhàn)場！

以阿特拉斯為代表的機器人能站立、行走和奔跑，還真有可能把未來戰(zhàn)場搞個“翻江倒?！?。這些已經(jīng)開始執(zhí)行偵察監(jiān)視、警戒執(zhí)勤和精確打擊等作戰(zhàn)任務(wù)的軍用機器人，或?qū)⑸涎蒹@心動魄的機器人大戰(zhàn)。未來戰(zhàn)場情況復(fù)雜多變，阿特拉斯等機器人在山地作戰(zhàn)和城市作戰(zhàn)中，更能發(fā)揮出其機動靈活的特性，達到更好的作戰(zhàn)效果。美國國防部資助的壁虎機器人，就有六條電動馬達驅(qū)動的機械腿，爬樹或翻墻都不在話下，目標直指特種偵察。就連大狗等腿足機器人未來也不僅僅是個“馱夫”，還能裝上武器和裝甲，成為步兵火力支援武器，更好地協(xié)同人類作戰(zhàn)。

耗費心血研發(fā)阿特拉斯，人們也在為自己找尋一件“鐵甲戰(zhàn)衣”。阿特拉斯的后空翻說明，我們已經(jīng)對人體運動有了相當了解，是仿生學(xué)的一大進步。試想，連阿特拉斯都有了強壯有力的“雙腿”，人類為什么不能“拿來主義”？美國國防部早就利用同類技術(shù)研制可綁在美國士兵腿上的“機器腿”，也被稱作外骨骼增強器。這種“機器腿”能讓美軍單兵背負物資重量大幅提升，還能減輕長期負重的勞累程度，加快行軍速度，將每一名士兵變身為“機器戰(zhàn)士”。

通過對阿特拉斯手腳活動能力的“參悟”，人們還將開發(fā)出更加神奇的“機械手”。目前，擁有機械手的人形機器人已經(jīng)能夠進入危險環(huán)境中作業(yè)，在處理核事故、爆炸物等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。美國國家航空航天局已開始腿足機器人研究，意圖設(shè)計制造出擁有靈巧雙手的“機器宇航員”，在外太空實現(xiàn)遠程指揮下的精密操控。

同時，作為學(xué)科交叉研究領(lǐng)域一顆冉冉升起的“新星”，軟體機器人在軍事領(lǐng)域同樣可當大任。正是由于自身過于“軟弱”，軟體機器人才得以“以柔克剛”，在受到外界沖擊和破壞時不易損傷，極大增強了其在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的生存能力。同時，由于不具備電子元件，軟體機器人在交錯縱橫的電磁偵察系統(tǒng)下較易躲避各類設(shè)備追蹤。未來加裝了專業(yè)偵察設(shè)備甚至是作戰(zhàn)武器的軟體機器人，可承擔各類偵察探測任務(wù)，更可在敵人出其不意的條件下開展致命一擊。目前，美國國防部高級研究計劃局正在加速開展多項關(guān)于軟體機器人的研究項目，尤其看重軟體機器人可完全適應(yīng)未來多樣化軍事任務(wù)的綜合能力，將實現(xiàn)軍用機器人技術(shù)的進一步發(fā)展。

在軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，“人小鬼大”的軟體機器人還是當之無愧的醫(yī)療助手。軟體機器人的硬度、柔軟度和可拉伸程度與人體皮膚和肌肉較為接近，把它穿在身上或進行互動接觸時親和性較好。因此，軟體機器人可作為假肢、人造外骨骼等可穿戴設(shè)備或用于模擬肌肉運動。同時，軟體機器人在手術(shù)機器人領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將可有效避免傳統(tǒng)金屬機器人對人體組織的破壞。美國愛荷華州立大學(xué)研究人員發(fā)明的一種微型軟管觸手機器人，長度約為8毫米，內(nèi)部卻攜帶了強有力的動力系統(tǒng)，將在醫(yī)療領(lǐng)域得到重點應(yīng)用。

當然，別看阿特拉斯和軟體機器人們“身懷絕技”，它們的“從軍路”依舊布滿荊棘。目前人形機器人在完成同等任務(wù)時的能量消耗超過人類的100倍，軟體機器人也存在攜帶能量嚴重不足的問題。此外，機器人的操控和平衡問題等仍是尚未完全解決的技術(shù)難題，依舊有待完善和發(fā)展。