張敏

說(shuō)起軍用機(jī)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(jī)器人，或是輪式、履帶式、配備有機(jī)械手和傳感器的笨拙機(jī)器。日前，一段人形機(jī)器人完美玩轉(zhuǎn)后空翻的視頻在互聯(lián)網(wǎng)上流傳開(kāi)來(lái)，使人形機(jī)器人阿特拉斯一舉成為“網(wǎng)紅”。以希臘神話中力大無(wú)窮、可雙肩支撐蒼天的擎天神來(lái)命名，阿特拉斯果然不負(fù)眾望，標(biāo)志著機(jī)器人研究領(lǐng)域的又一次飛躍。當(dāng)然，更令人吃驚的還有下面這種“以柔克剛”的機(jī)器人。哈佛大學(xué)發(fā)明了全球首個(gè)全自動(dòng)章魚(yú)仿生軟體機(jī)器人“八爪怪”，軟體機(jī)器人領(lǐng)域的科學(xué)研究即將進(jìn)入飛速發(fā)展的突破性階段。其實(shí)，無(wú)論是“軟”還是“硬”，開(kāi)展此類(lèi)機(jī)器人研究背后都有著來(lái)自軍事應(yīng)用的巨大需求牽引，這些“軟硬兼施”的機(jī)器人，也將在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮獨(dú)特的作戰(zhàn)效果。

這個(gè)“后空翻”不簡(jiǎn)單

現(xiàn)有的機(jī)器人“王國(guó)”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(jī)器人對(duì)惡劣地形環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)、研制難度更高，代表著機(jī)器人研究領(lǐng)域的技術(shù)巔峰。長(zhǎng)期以來(lái)，各軍事大國(guó)都對(duì)腿足機(jī)器人研究展現(xiàn)出強(qiáng)烈興趣。

通過(guò)不斷改進(jìn)升級(jí)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局資助的阿特拉斯機(jī)器人，站立后身高可達(dá)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(kāi)門(mén)和抓取物體的動(dòng)作。那么，此次阿特拉斯進(jìn)軍“體操界”，為何驚艷世界？后空翻畢竟是個(gè)難度極高的動(dòng)作，常人幾乎無(wú)法企及，體操運(yùn)動(dòng)員也要訓(xùn)練多年才能完成。于人不易，于機(jī)器人更難。

阿特拉斯本身就是個(gè)“膘肥體壯”的大型雙足機(jī)器人，除在移動(dòng)過(guò)程中要保持平衡外，還需要用雙腿來(lái)平衡體積龐大的上半身。為完成“后空翻”這個(gè)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(gè)過(guò)程需要手、腳、腰同時(shí)運(yùn)動(dòng)。它的“大腦”必須通過(guò)數(shù)學(xué)公式預(yù)先精確計(jì)算、規(guī)劃好各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)線路、方向和角度，然后機(jī)械地控制起、轉(zhuǎn)和落地。

萬(wàn)事開(kāi)頭難。就起跳而言，阿特拉斯需要提前對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行精確規(guī)劃。更重要的是，阿特拉斯要有強(qiáng)勁有力的“雙腿”。即便是跳起來(lái)了，如果力量不夠大，就不能給翻轉(zhuǎn)留出足夠的時(shí)間，更談不上后續(xù)的動(dòng)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(dòng)，通過(guò)有效的電量管理，可在瞬間爆發(fā)出驚人的巨大能量。

其實(shí)，空中翻轉(zhuǎn)過(guò)程才是真正“見(jiàn)功夫”的地方。阿特拉斯是一個(gè)多自由度、多剛體的機(jī)器人系統(tǒng)，姿態(tài)的精準(zhǔn)控制異常復(fù)雜，需要機(jī)器人體內(nèi)各類(lèi)姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)回傳姿態(tài)參數(shù)。通過(guò)匯聚來(lái)自“身體”各個(gè)部位的姿態(tài)信息，阿特拉斯的“運(yùn)動(dòng)中樞”才能根據(jù)算法進(jìn)行控制決策，不斷優(yōu)化各個(gè)部位的參數(shù)指標(biāo)。在空中的阿特拉斯處于拋物線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須通過(guò)改變姿態(tài)在落地前找準(zhǔn)“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(yuǎn)沒(méi)有想象的那么簡(jiǎn)單。落地過(guò)程需要應(yīng)對(duì)沖擊處理和保持平衡。無(wú)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(huì)安裝多維力傳感器，對(duì)腳的受力狀態(tài)進(jìn)行輔助控制。同時(shí)，落地一瞬間阿特拉斯的“關(guān)節(jié)”位置上移或下移一點(diǎn)，都有可能導(dǎo)致重心不穩(wěn)而摔倒，因而對(duì)精準(zhǔn)控制也提出了更高要求。

當(dāng)然，通過(guò)身上搭載的激光雷達(dá)和各類(lèi)傳感器，阿特拉斯還擁有了避障和識(shí)別物體的能力。人們?cè)?jīng)讓阿特拉斯在一塊2厘米寬的木板上“金雞獨(dú)立”，它竟然成功堅(jiān)持了20多秒。如今，阿特拉斯再次解鎖“新姿勢(shì)”，除可實(shí)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(lái)，堪稱(chēng)人形機(jī)器人領(lǐng)域的“生命奇跡”。

軟體機(jī)器人也有“七十二變”

未來(lái)的某一天，當(dāng)你在街頭遇到一只大搖大擺的“章魚(yú)”，甚至它還會(huì)對(duì)你點(diǎn)點(diǎn)頭、揮揮爪，請(qǐng)不要驚慌，這是目前已經(jīng)研制成功的軟體機(jī)器人。不久前，哈佛大學(xué)就研制出一款名為“Octobot”的軟體機(jī)器人。這款軟體機(jī)器人只有手掌大小，自帶運(yùn)動(dòng)燃料，可通過(guò)調(diào)控內(nèi)部氣體實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)，既不需要連接計(jì)算機(jī)獲取指令，也不包含任何電子元件，不禁令人嘖嘖稱(chēng)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(jī)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(jī)器人理論上具有無(wú)限多自由度，可實(shí)現(xiàn)靈活彎曲、扭轉(zhuǎn)，即使遭受到外界撞擊也不會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生大的傷害。基于這一優(yōu)良血統(tǒng)，軟體機(jī)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(jī)器人其實(shí)相當(dāng)于一個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)管，通過(guò)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(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。以往的軟體機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)上都存在通病，由于供能和控制部分通常需要連接機(jī)器人軀體，軟體機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)背后經(jīng)常拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的電線，嚴(yán)重影響了軟體機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)。如今，“八爪怪”軟體機(jī)器人通過(guò)軀體內(nèi)部集成的運(yùn)動(dòng)器和控制系統(tǒng)自主運(yùn)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)了健步如飛乃至飛檐走壁。

與普通機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人可通過(guò)內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)顏色可變發(fā)光，并可通過(guò)充氣增壓和通道膨脹實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。目前研究的軟體機(jī)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?jiǎng)恿?lái)維持色彩，移動(dòng)到特定位置后常常與背景難以區(qū)分。同時(shí)，一些軟體機(jī)器人在設(shè)計(jì)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(lái)后簡(jiǎn)直可以“以假亂真”，肉眼不仔細(xì)觀察真的難以分辨。

事實(shí)上，軟體機(jī)器人的生產(chǎn)并不復(fù)雜，制作工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單。軟體機(jī)器人“八爪怪”的“大腦”，是一個(gè)可控制八個(gè)觸手運(yùn)動(dòng)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(jī)、章魚(yú)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(jī)器人時(shí)，首先將特殊材料倒入章魚(yú)模具中覆蓋微流控制芯片，之后通過(guò)3D打印機(jī)在軟體機(jī)器人的身體里打印出可用于傳遞氣體的中空管道。這個(gè)管道可實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的身體與“大腦”相連接并實(shí)現(xiàn)信息傳遞。再經(jīng)過(guò)一系列特殊的化學(xué)反應(yīng)，一個(gè)栩栩如生的章魚(yú)軟體機(jī)器人就誕生了。

掀起機(jī)器人家族的朵朵浪花

西方世界最早對(duì)機(jī)器人的探索可追溯到達(dá)芬奇時(shí)代。早在1495年，達(dá)芬奇就在手稿中設(shè)計(jì)出一個(gè)仿人型機(jī)器人。如今無(wú)論是人形機(jī)器人還是軟體機(jī)器人，都憑借著其“一身特長(zhǎng)”正掀起機(jī)器人家族的朵朵浪花。

從1992年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局就投入巨資資助波士頓動(dòng)力公司開(kāi)展軍用機(jī)器人的研究工作。除一手打造了“網(wǎng)紅”機(jī)器人阿特拉斯之外，他們還有一款腿足機(jī)器人因酷似“木牛流馬”至今為人津津樂(lè)道，那就是大狗機(jī)器人。大狗的真名為“步兵班組支援系統(tǒng)”，是由波士頓動(dòng)力公司與美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局共同研制的產(chǎn)物。大狗體重109千克，奔跑速度可達(dá)6.4千米/小時(shí)，最大爬坡度35度。與其說(shuō)大狗是一只“機(jī)器狗”，還不如說(shuō)它是一只“機(jī)器騾子”。大狗主要模仿四足動(dòng)物，在地形復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)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(guò)，看起來(lái)不錯(cuò)的大狗被送到阿富汗前線后，使用起來(lái)聲音極大，影響隱蔽性，且戰(zhàn)場(chǎng)上難以修理，這才沒(méi)有被正式列裝到美軍作戰(zhàn)部隊(duì)。

美國(guó)研制的大狗機(jī)器人，還專(zhuān)門(mén)配備了能控制軀體移動(dòng)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(yùn)動(dòng)和導(dǎo)航方式。美國(guó)國(guó)防部資助的“獵豹”機(jī)器人恐怕是世界上速度最快的機(jī)器人，時(shí)速可達(dá)45千米，采用的就是模仿獵豹的四足運(yùn)動(dòng)模式。目前人們還研制出名為“Petman”的機(jī)器人，甚至能在跑步機(jī)上完成鍛煉，走路下蹲更是不在話下，足可見(jiàn)其強(qiáng)悍的運(yùn)動(dòng)能力。另一款腿足機(jī)器人RHex則“進(jìn)化”出6條可旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(wú)恙。同時(shí)，腿足機(jī)器人也具有較好的“容錯(cuò)性”，即便是一個(gè)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(jī)器人的一大優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，軟體機(jī)器人也是毫不示弱。傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人具有負(fù)重比低、柔性度差等先天缺陷，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力也有待提高。相比之下，軟體機(jī)器人堪稱(chēng)機(jī)器人家族的集大成者，更加適應(yīng)未來(lái)的機(jī)器人智能應(yīng)用。由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和哈佛大學(xué)聯(lián)合研制的軟硅膠材料機(jī)器人，不僅可通過(guò)自身變形穿過(guò)狹小的縫隙“無(wú)孔不入”，更能牢牢攀附在任何物體表面上，還可通過(guò)改變“皮膚色調(diào)”與周?chē)h(huán)境融為一體。更令人驚嘆的是，這款軟體機(jī)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(jì)成本只有不到100美元。

無(wú)獨(dú)有偶，由波蘭研究人員研制成功的軟體機(jī)器人，身體由液晶彈性體組成，可通過(guò)收縮推動(dòng)身體進(jìn)行移動(dòng)，就如同毛毛蟲(chóng)爬行一般。這款軟體機(jī)器人最大的亮點(diǎn)是可接受外界光的控制，當(dāng)感受到外界光源變化時(shí)，機(jī)器人的形狀也會(huì)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(dòng)。通過(guò)對(duì)光源進(jìn)行控制，這款軟體機(jī)器人能完成爬陡坡、鉆進(jìn)極其狹小空間等各種特殊任務(wù)。別看軟體機(jī)器人個(gè)頭小，它可是力大如牛，能輕易推動(dòng)比自身個(gè)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(jī)器人大多參照自然界中的章魚(yú)、海星等軟體生物進(jìn)行外觀設(shè)置，相似度極高。希臘研究人員利用硅膠樹(shù)脂研制出的章魚(yú)機(jī)器人，放在水中移動(dòng)時(shí)，甚至?xí)行◆~(yú)跟在身后游動(dòng)。美國(guó)研究人員研制的GoQBot 軟體機(jī)器人具有和毛毛蟲(chóng)一樣的滾動(dòng)彈射能力。歐盟資助的“章魚(yú)觸手”項(xiàng)目通過(guò)研究章魚(yú)本體和觸手的全局協(xié)同運(yùn)動(dòng)和控制機(jī)理，開(kāi)發(fā)了可在水下工作的仿生章魚(yú)觸手，并形成了一套行之有效的控制方法。

“機(jī)甲戰(zhàn)士”改寫(xiě)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)

早在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)上，美軍的軍用機(jī)器人就已經(jīng)大展身手。但這些機(jī)器人大多是輪式或履帶式，在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在諸多限制。傳統(tǒng)輪式機(jī)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(wèn)題。履帶式機(jī)器人對(duì)地形要求同樣較高，遠(yuǎn)沒(méi)有人們想象的機(jī)器人那么靈活方便?？此苾疵偷臋C(jī)器人“大兵”上了戰(zhàn)場(chǎng)，總有那么一種“呆頭呆腦”的感覺(jué)。

相比之下，腿足機(jī)器人能站立、行走和奔跑，代表著未來(lái)軍用機(jī)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(duì)于機(jī)器人的無(wú)限遐想，更有望實(shí)現(xiàn)美國(guó)國(guó)防部研制“機(jī)器士兵”的夙愿。或許不久的將來(lái)，軍用機(jī)器人就將“跑步”上戰(zhàn)場(chǎng)！

以阿特拉斯為代表的機(jī)器人能站立、行走和奔跑，還真有可能把未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)搞個(gè)“翻江倒海”。這些已經(jīng)開(kāi)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(jī)器人，或?qū)⑸涎蒹@心動(dòng)魄的機(jī)器人大戰(zhàn)。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多變，阿特拉斯等機(jī)器人在山地作戰(zhàn)和城市作戰(zhàn)中，更能發(fā)揮出其機(jī)動(dòng)靈活的特性，達(dá)到更好的作戰(zhàn)效果。美國(guó)國(guó)防部資助的壁虎機(jī)器人，就有六條電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械腿，爬樹(shù)或翻墻都不在話下，目標(biāo)直指特種偵察。就連大狗等腿足機(jī)器人未來(lái)也不僅僅是個(gè)“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(lèi)作戰(zhàn)。

耗費(fèi)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(shuō)明，我們已經(jīng)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)有了相當(dāng)了解，是仿生學(xué)的一大進(jìn)步。試想，連阿特拉斯都有了強(qiáng)壯有力的“雙腿”，人類(lèi)為什么不能“拿來(lái)主義”？美國(guó)國(guó)防部早就利用同類(lèi)技術(shù)研制可綁在美國(guó)士兵腿上的“機(jī)器腿”，也被稱(chēng)作外骨骼增強(qiáng)器。這種“機(jī)器腿”能讓美軍單兵背負(fù)物資重量大幅提升，還能減輕長(zhǎng)期負(fù)重的勞累程度，加快行軍速度，將每一名士兵變身為“機(jī)器戰(zhàn)士”。

通過(guò)對(duì)阿特拉斯手腳活動(dòng)能力的“參悟”，人們還將開(kāi)發(fā)出更加神奇的“機(jī)械手”。目前，擁有機(jī)械手的人形機(jī)器人已經(jīng)能夠進(jìn)入危險(xiǎn)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(guó)國(guó)家航空航天局已開(kāi)始腿足機(jī)器人研究，意圖設(shè)計(jì)制造出擁有靈巧雙手的“機(jī)器宇航員”，在外太空實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮下的精密操控。

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

在軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，“人小鬼大”的軟體機(jī)器人還是當(dāng)之無(wú)愧的醫(yī)療助手。軟體機(jī)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(jìn)行互動(dòng)接觸時(shí)親和性較好。因此，軟體機(jī)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(yùn)動(dòng)。同時(shí)，軟體機(jī)器人在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將可有效避免傳統(tǒng)金屬機(jī)器人對(duì)人體組織的破壞。美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)研究人員發(fā)明的一種微型軟管觸手機(jī)器人，長(zhǎng)度約為8毫米，內(nèi)部卻攜帶了強(qiáng)有力的動(dòng)力系統(tǒng)，將在醫(yī)療領(lǐng)域得到重點(diǎn)應(yīng)用。

當(dāng)然，別看阿特拉斯和軟體機(jī)器人們“身懷絕技”，它們的“從軍路”依舊布滿(mǎn)荊棘。目前人形機(jī)器人在完成同等任務(wù)時(shí)的能量消耗超過(guò)人類(lèi)的100倍，軟體機(jī)器人也存在攜帶能量嚴(yán)重不足的問(wèn)題。此外，機(jī)器人的操控和平衡問(wèn)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。