步行機(jī)器人正在大步邁入市場(chǎng)

這些機(jī)器人將能夠去人類能去、現(xiàn)有機(jī)器人無法到達(dá)的地方

最近出現(xiàn)在福特汽車公司底特律范戴克變速箱工廠的兩個(gè)機(jī)器人不僅看起來可愛，還是非常實(shí)用的工作機(jī)器人，它們也許為未來自動(dòng)化提供了發(fā)展方向。

安排機(jī)器人進(jìn)入工廠很難說是新點(diǎn)子——早已有大約240萬名機(jī)器人在全球各地的工廠里工作。但其中大多數(shù)機(jī)器人都僅是固定在地面上、能夠完成焊接和噴漆工序的巨大機(jī)械臂；極少數(shù)有移動(dòng)能力的機(jī)器人依靠輪子快速移動(dòng)，完成運(yùn)送任務(wù)。而范戴克工廠的新型機(jī)器人與這兩類機(jī)器人迥異，它們能像人類一樣行走。

這對(duì)亮黃色的四足機(jī)器人的模樣有點(diǎn)像狗，一只被昵稱為“路威”（Fluffy），另一只被昵稱為“斑點(diǎn)狗”（Spot，這也是機(jī)器人制造商波士頓動(dòng)力取的正式名字）。這對(duì)機(jī)器人出現(xiàn)在工廠里，不是為了逗樂人類員工，而是要完成一個(gè)重要任務(wù)，福特公司希望此舉會(huì)為公司節(jié)省大筆開支?！奥吠焙汀鞍唿c(diǎn)狗”的后背上裝有激光掃描儀，能在20萬平方米大小的工廠里一邊奔跑一邊收集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將會(huì)用來為整個(gè)制造流程構(gòu)建詳細(xì)的計(jì)算模型，這種模型被稱為“數(shù)字孿生”，福特公司的工程師會(huì)利用它來構(gòu)想如何重新安排生產(chǎn)線。

多年以來，隨著工廠引進(jìn)新設(shè)備以及設(shè)備需要移動(dòng)，工廠平面圖會(huì)過時(shí)。人工測(cè)量變速箱工廠會(huì)耗費(fèi)數(shù)周時(shí)間，花費(fèi)大約30萬美元。福特公司認(rèn)為，“路威”和“斑點(diǎn)狗”既能爬樓梯，又能匍匐進(jìn)入人類很難到達(dá)的區(qū)域，這將節(jié)約一半的時(shí)間，用“部分開支”就可完成測(cè)量工作。盡管福特公司此次是租賃了這兩個(gè)機(jī)器人，但波士頓動(dòng)力目前已經(jīng)將它們對(duì)外銷售，一個(gè)機(jī)器人要價(jià)7.5萬美元。以這個(gè)價(jià)位而言，它們執(zhí)行一些和在范戴克工廠所承擔(dān)任務(wù)相似的工作，很快就能收回成本。

“斑點(diǎn)狗”系列是波士頓動(dòng)力公司第一種商品化的步行機(jī)器人。其他公司和研究團(tuán)隊(duì)正逐漸推出更多步行機(jī)器人，其中有些是四足機(jī)器人，有些是兩足機(jī)器人。兩足機(jī)器人比四足機(jī)器人更加靈活，如果同時(shí)配備了手臂，更適合執(zhí)行撿拾物品或操作控制開關(guān)之類的任務(wù)。所有這些步行機(jī)器人有個(gè)共同點(diǎn)，那就是它們代表了機(jī)器人移動(dòng)能力向前邁出了一大步。

四條腿很好，兩條腿更好

假如機(jī)器人要模仿人類去完成操作性任務(wù)，它們需要能夠以人類的行走方式來移動(dòng)。加州理工學(xué)院的機(jī)器人學(xué)專家亞倫·埃姆斯（Aaron Ames）表示，滾動(dòng)式移動(dòng)對(duì)于探索地球大部分地方都毫無用處，只要問問用輪椅的人就能明白。他說：“我們現(xiàn)在能讓機(jī)器人行走得十分好?！比欢@樣的機(jī)器人模樣有點(diǎn)古怪。當(dāng)埃姆斯博士實(shí)驗(yàn)室里的一個(gè)兩條腿的機(jī)器人邁步走出實(shí)驗(yàn)室時(shí)，加州理工學(xué)院的校園立馬騷動(dòng)起來。但人們未來需要適應(yīng)這些兩足機(jī)器人，因?yàn)橛懈鄡勺銠C(jī)器人在不斷涌現(xiàn)。

問題依然存在，急需改進(jìn)。喬納森·赫斯特（Jonathan Hurst）是俄勒岡州奧爾巴尼的“敏捷機(jī)器人”（Agility Robotics）的聯(lián)合創(chuàng)始人，他說：“我們一旦達(dá)成目標(biāo)，將會(huì)有數(shù)百萬名步行機(jī)器人出現(xiàn)在我們生活中?！彼墓静痪们鞍l(fā)布了兩足機(jī)器人Digit，這種機(jī)器人有兩條手臂，模樣像鴕鳥。目前Digit的售價(jià)是25萬美元，但這是早期價(jià)格。隨著更多步行機(jī)器人投入工作，機(jī)器人的研發(fā)會(huì)加速，產(chǎn)量也會(huì)提升，使得Digit之類機(jī)器人的成本下降到數(shù)萬美元。

這個(gè)過程類似于無人飛行器的出現(xiàn)。無人飛行器曾經(jīng)要花費(fèi)數(shù)百萬美元，用途有限，直到科研人員弄懂如何用多軸協(xié)調(diào)方式讓小型飛行器懸浮于空中，情況才有了轉(zhuǎn)機(jī)。這些多軸飛行器能輕松自主地飛行于空中，每臺(tái)機(jī)器的售價(jià)跌落到500美元或更低。如今多軸飛行器用于各種各樣的場(chǎng)合，從攝制電影、航空測(cè)量到遞送包裹等。機(jī)器人研究領(lǐng)域的部分人士認(rèn)為，步行機(jī)器人已經(jīng)開始一條相似的路徑。

有什么改變？埃姆斯博士解釋：“我們現(xiàn)在更深入理解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)背后的數(shù)學(xué)原理。”老派的步行機(jī)器人（譬如，日本汽車制造商本田公司于2000年揭曉的著名人形機(jī)器人“阿西莫”）的步態(tài)僵硬，它們行走時(shí)拖曳腳步，先將一只腳放到前方，校驗(yàn)平衡后再移動(dòng)另一只腳，再一次校驗(yàn)平衡，以此類推。埃姆斯博士說：“人類行走時(shí)不會(huì)那么做，你的腳只需落地和繼續(xù)?！?/p>

邁步向前！

人類步行的方式有時(shí)被生物力學(xué)家描述為受控下墜（controlled falling）。邁步需要擺動(dòng)一條腿并放下，隨著腿上方的身體向前移動(dòng)，進(jìn)行下意識(shí)的細(xì)微修正來維持穩(wěn)定。每條腿都像彈簧一樣運(yùn)作。這些運(yùn)動(dòng)能夠預(yù)測(cè)，而且，最近科研人員已經(jīng)找到如何為這些動(dòng)作進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的方法。加上操縱機(jī)器人四肢的更好制動(dòng)器和更精確測(cè)量事物的傳感器，這些數(shù)學(xué)模型有可能在機(jī)器人上再現(xiàn)這種步行方式。要做到這點(diǎn)，不需要任何時(shí)髦的機(jī)器學(xué)習(xí)或人工智能方法，只需要老式的計(jì)算，埃姆斯博士補(bǔ)充道。

阿西莫的步態(tài)和新步行機(jī)器人的步態(tài)差別很大。阿西莫的粗壯雙腿看起來很沉重，而Digit自信地用一對(duì)細(xì)長(zhǎng)的下肢邁步，行走時(shí)會(huì)開心地?fù)u擺手臂。波士頓動(dòng)力公司制造的試驗(yàn)型人形機(jī)器人“阿特拉斯”（Atlas）能力更強(qiáng)。阿特拉斯可以步行、奔跑、跳躍，甚至能后空翻。阿西莫與許多名人合影，但它從未批量制造。本田公司在2018年停止了該項(xiàng)目，轉(zhuǎn)而將資源集中到更加“務(wù)實(shí)”的機(jī)器人上，譬如為老年人服務(wù)的可移動(dòng)設(shè)備。

許多人易于推斷這些新的步行機(jī)器人只是簡(jiǎn)單模擬自然，但事實(shí)并非如此。四足是個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)，是設(shè)計(jì)步行機(jī)器人的良好起點(diǎn)。在協(xié)調(diào)好機(jī)器人四肢的移動(dòng)、獲得良好平衡、裝備上視覺系統(tǒng)（讓機(jī)器人弄明白該落腳何處）之后，“斑點(diǎn)狗”的設(shè)計(jì)師最終獲得一個(gè)與狗類似的機(jī)器人。波士頓動(dòng)力公司商務(wù)拓展部門的負(fù)責(zé)人邁克爾·佩里（Michael Perry）說，那并不讓人吃驚，因?yàn)榇笞匀婚_發(fā)高效的設(shè)計(jì)方案已有很長(zhǎng)的時(shí)間。

另一個(gè)設(shè)計(jì)藝術(shù)如何演化成模擬自然的范例呈現(xiàn)在Digit的設(shè)計(jì)過程中。Digit像鴕鳥一般的外表源自“凱西”（Cassie），后者是“敏捷機(jī)器人”公司出售給許多科研團(tuán)隊(duì)的兩足機(jī)器人。凱西的開發(fā)者必須尋找方法，阻止機(jī)器人的一些制動(dòng)器之間相互影響。結(jié)果，他們的解決方案是構(gòu)建外表酷似鳥的兩條腿。

“凱西”隨后獲得兩條手臂，并演化成Digit，而這是工程師打算解決另一個(gè)問題的成果。當(dāng)機(jī)器人向前伸出一條腿，凱西的身體稍微轉(zhuǎn)動(dòng)，假如它行走得太快，有時(shí)會(huì)跌倒。在大自然中，一些動(dòng)物在快速運(yùn)動(dòng)時(shí)用尾巴改進(jìn)平衡。為了改進(jìn)移動(dòng)性能，敏捷機(jī)器人公司的科研人員借用了這個(gè)點(diǎn)子。他們?cè)跈C(jī)器人的軀干上加裝一對(duì)酷似尾巴的附枝，機(jī)器人軀干的兩側(cè)各有一根；接著將這對(duì)附枝改成一對(duì)手臂，萬一機(jī)器人摔倒，這對(duì)手臂能撐住機(jī)器人，幫助它再次起身。

手臂也能完成其他有用的任務(wù)，譬如在倉庫里搬箱子。Digit能搬起重達(dá)20公斤的東西。赫斯特博士認(rèn)為，配送貨物很可能成為步行機(jī)器人的重要用途，尤其在當(dāng)前，由于COVID-19而實(shí)行居家限制，電子商務(wù)蓬勃發(fā)展。大多數(shù)倉庫都是針對(duì)人類勞工設(shè)計(jì)，而擁有雙腿、和人類以相似方式移動(dòng)的步行機(jī)器人會(huì)很好適應(yīng)倉庫的工作。

進(jìn)一步開發(fā)后，步行機(jī)器人會(huì)承擔(dān)更多復(fù)雜任務(wù)，譬如送貨到各家各戶的快遞工作。福特公司正在用一臺(tái)乘坐在廂型車后車廂里的Digit機(jī)器人進(jìn)行這方面的探索。雖然早已有用輪型機(jī)器人送貨的實(shí)例，但給千家萬戶送貨是個(gè)棘手任務(wù)，可能涉及爬樓梯或登上臺(tái)階。赫斯特博士評(píng)論道：“要想把包裹送到大多數(shù)家庭的門口，需要用腿爬樓?！?/p>

尚不清楚這項(xiàng)任務(wù)具體要如何來完成。除非機(jī)器人承擔(dān)一項(xiàng)預(yù)先編制好的任務(wù)，不然大多數(shù)可移動(dòng)機(jī)器人都需要操作員來提供基本指令（譬如前進(jìn)到某個(gè)地點(diǎn)）。接著機(jī)器人自行步行到那個(gè)地點(diǎn)，沿途避開障礙物，登上或走下各種臺(tái)階和樓梯。這意味著挨家挨戶送快遞的步行機(jī)器人可能需要社區(qū)的電子地圖來知道前行的道路和避開的障礙。此外，還涉及大數(shù)據(jù)的獲取工作，就像那些用大數(shù)據(jù)為無人駕駛汽車建構(gòu)電子地圖的工作。同樣，在一家工廠或倉庫里，在放手讓步行機(jī)器人獨(dú)立工作之前，步行機(jī)器人需要人類做示范。

實(shí)現(xiàn)完全自主的機(jī)器人還有很長(zhǎng)的路要走。然而，許多機(jī)器人學(xué)家認(rèn)為，他們總有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)或至少接近目標(biāo)。

自我決定

實(shí)現(xiàn)完全自主的機(jī)器人（走進(jìn)未知環(huán)境和決定自己做什么事）還有很長(zhǎng)的路要走。對(duì)于這樣的設(shè)備，一項(xiàng)最困難的任務(wù)是自主照料居家人士。機(jī)器人需要能夠做出無數(shù)復(fù)雜的決定，譬如讓病人服用藥物，決定是否讓陌生人進(jìn)屋，或者知道何時(shí)該出門遛狗。然而，許多機(jī)器人學(xué)家認(rèn)為，他們總有一天會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)或至少接近目標(biāo)。

與此同時(shí)，目前研發(fā)的新一代機(jī)器人會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)機(jī)器人的能力。對(duì)于波士頓動(dòng)力公司，佩里先生估計(jì)，除了勘探測(cè)量，“斑點(diǎn)狗”還會(huì)在質(zhì)檢和保養(yǎng)工作中找到用武之地。譬如，這樣的機(jī)器人能進(jìn)入變電所之類的危險(xiǎn)環(huán)境。

“斑點(diǎn)狗”的下一個(gè)技藝不再是僅僅尋找問題，而是要采取行動(dòng)（譬如開合開關(guān)或轉(zhuǎn)動(dòng)閥門）解決問題。它用一條操作臂就能完成這個(gè)任務(wù)，而這讓它看起來不那么像狗，而更像長(zhǎng)脖子的腕龍。這種構(gòu)造的機(jī)器人原型已經(jīng)在波士頓動(dòng)力公司的辦公室里跑來跑去，為員工打開和關(guān)上房門。

這個(gè)版本的“斑點(diǎn)狗”機(jī)器人預(yù)計(jì)在2021年上市銷售。至于波士頓動(dòng)力公司的人形機(jī)器人“阿特拉斯”，當(dāng)前的造價(jià)還太過昂貴，無法推出商業(yè)化版本。但佩里先生說，從這個(gè)機(jī)器人身上獲取的經(jīng)驗(yàn)會(huì)在未來幫助提供建造其他機(jī)器人所需要的工程設(shè)計(jì)方案。

未來的一些步行機(jī)器人也許不會(huì)部署在地球上。加州理工學(xué)院的埃姆斯博士認(rèn)為，有腿的機(jī)器人會(huì)在行星探索上擁有優(yōu)勢(shì)——譬如越過難走的地形，進(jìn)入洞窟。與此同時(shí)，他和其他科研機(jī)構(gòu)的一些同行在利用機(jī)器人移動(dòng)的新知識(shí)來為那些無法輕松行走的人開發(fā)輕質(zhì)義肢，為那些完全無法行走的人開發(fā)動(dòng)力骨骼。在這個(gè)不為輪子打造的世界里，此舉帶來令人可望又不可及的前景，希望總有一天在步行機(jī)器人的幫助下，這個(gè)世界能消除輪椅。

資料來源 The Economist