劉京運(yùn)

前不久，一段視頻刷爆了朋友圈，視頻中一個(gè)四足機(jī)器人不顧人類的阻攔，奮力打開一扇門，最終得以順利通過(guò)?？催^(guò)視頻的人無(wú)一不被機(jī)器人的“執(zhí)著”所震撼，一夜之間，這個(gè)機(jī)器人就成為了當(dāng)之無(wú)愧的“網(wǎng)紅”。其實(shí)，這個(gè)“網(wǎng)紅”正是由美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的一款名為“Spot Mini”的四足機(jī)器人，這不是波士頓動(dòng)力公司推出的第一款四足機(jī)器人，本文以時(shí)間為線索，概覽波士頓動(dòng)力公司四足機(jī)器人的研發(fā)歷程，帶你領(lǐng)略“大狗們”的魅力。

機(jī)器人誕生的初衷在于服務(wù)人類，將人類從重復(fù)、繁瑣甚至危險(xiǎn)的工作中解放出來(lái)，進(jìn)而把有限的人力資源投入到更有價(jià)值的生產(chǎn)勞動(dòng)過(guò)程中去。

1920年，“機(jī)器人”一詞首次被捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克（Karel Capek）提出，自此，機(jī)器人開始了它漫長(zhǎng)的發(fā)展進(jìn)程。

如今，在我們的生活中隨處可見機(jī)器人的身影，但它們大多只是“移動(dòng)的電腦”，僅能根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序指令，進(jìn)行簡(jiǎn)單和重復(fù)的操作，這也在一定程度上限制了我們對(duì)于機(jī)器人的認(rèn)知。

傳統(tǒng)的認(rèn)知一旦形成，新鮮事物的出現(xiàn)就會(huì)極具顛覆性。2005年，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司拍攝的一段長(zhǎng)達(dá)3分半鐘左右的視頻，在網(wǎng)上引發(fā)了各界的廣泛關(guān)注。視頻內(nèi)容顯示，一臺(tái)四足機(jī)器人在身負(fù)重物的情況下仍能靈活行走，并且可以對(duì)外力干擾做出快速反應(yīng)，始終保持軀體的平衡穩(wěn)定。

一時(shí)間，關(guān)于機(jī)器人發(fā)展前景的探討再次成為炙手可熱的話題，波士頓動(dòng)力公司也順理成章地成為了眾人關(guān)注的焦點(diǎn)。

波士頓動(dòng)力公司

波士頓動(dòng)力公司成立于1992年，主要開展機(jī)器人相關(guān)研究工作，其目標(biāo)是打造像人或動(dòng)物那樣，能夠在現(xiàn)實(shí)世界中靈活工作的智能機(jī)器人，成立至今，吸引了眾多來(lái)自世界各大院校的頂尖科研人才。波士頓動(dòng)力公司之所以能具備如此強(qiáng)大的號(hào)召力，與其創(chuàng)始人馬克·雷波特（Marc Raibert）不無(wú)關(guān)系。

馬克·雷波特是典型的學(xué)院派創(chuàng)業(yè)者，其在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位后，在卡耐基·梅隆大學(xué)創(chuàng)立了CMU ?leg實(shí)驗(yàn)室，并擔(dān)任副教授一職。1986年，馬克·雷波特重新回到麻省理工學(xué)院，繼續(xù)從事機(jī)器人的開發(fā)和研究工作，并最終于1992年離開MIT，創(chuàng)建了如今的波士頓動(dòng)力公司。

機(jī)器人必須具備的三項(xiàng)能力

美國(guó)科幻小說(shuō)家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）于1950年，在其代表作《我，機(jī)器人》一書中，提出了機(jī)器人所需遵守的三條法則，后人將其稱為“機(jī)器人三定律”，即：

·機(jī)器人不得傷害人類個(gè)體，或者目睹人類個(gè)體將遭受危險(xiǎn)而袖手旁觀;

·機(jī)器人必須服從人給予它的命令，當(dāng)該命令與第一定律沖突時(shí)例外;

·機(jī)器人在不違反第一、第二定律的情況下要盡可能保護(hù)自己的生存。

這三條定律在一定程度上為機(jī)器人的研發(fā)工作提供了參考，強(qiáng)調(diào)了在機(jī)器人研發(fā)過(guò)程中所需遵守的安全性準(zhǔn)則，但這三條定律應(yīng)用的前提是機(jī)器人足夠智能，就目前而言，機(jī)器人的智能化水平依然較低，因此，這三條定律尚不具備充足的用武之地。

要想讓機(jī)器人更智能，首先要做到的是讓機(jī)器人能夠像人或動(dòng)物一樣自由行動(dòng)。在馬克·雷波特看來(lái)，要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須讓機(jī)器人具備以下三項(xiàng)能力：

·平衡性和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能力

·對(duì)于運(yùn)動(dòng)的控制能力

·移動(dòng)感知能力

平衡性和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能力能夠讓機(jī)器人在任意地方、任何地形保持平衡，并實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)，這意味著機(jī)器人的工作范圍得到了有效擴(kuò)展。對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制能力是指機(jī)器人可以靈活地操控物體（如使用鍵盤和遙控器等），同時(shí)進(jìn)行自由活動(dòng)，這意味著機(jī)器人能夠在移動(dòng)的過(guò)程中輕松完成各項(xiàng)操作任務(wù)。移動(dòng)感知能力是指機(jī)器人能夠感知空間中物體的穩(wěn)定存在，即便視線移向別處也能夠避開障礙，這意味著機(jī)器人能夠繪制出周邊環(huán)境的障礙位置圖，從而在前進(jìn)或后退的過(guò)程中都能夠有效避開障礙物。

波士頓動(dòng)力公司正是從以上三點(diǎn)出發(fā)，開展對(duì)機(jī)器人的各項(xiàng)研發(fā)工作的。

Big Dog：踹不倒的機(jī)器人

Big Dog被人們親切地稱為“大狗”，是波士頓動(dòng)力公司于2005年推出的一款四足機(jī)器人，也正是這款四足機(jī)器人讓波士頓動(dòng)力公司名聲大噪。大狗拋開傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)器人，轉(zhuǎn)而研究四足機(jī)器人，是因?yàn)樗淖銠C(jī)器人能夠適應(yīng)更多地形地貌，通過(guò)性能更強(qiáng)。

在波士頓動(dòng)力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Big Dog在裝載著重物的情況下，仍能對(duì)人類從其側(cè)面的踢踹做出靈敏的反應(yīng)，始終保持站立的姿態(tài)。

Big Dog高度約為1米，重量約為109公斤，可以背負(fù)45公斤的有效負(fù)載進(jìn)行自由行走或奔跑，最快移動(dòng)速度可達(dá)6.4公里/小時(shí)，最大爬坡角度可達(dá)35度。同時(shí)，Big Dog能夠適應(yīng)多種復(fù)雜路況，即便在雪地或泥洼中也能行走自如，就算有人在其側(cè)面施加外力，Big Dog也能快速調(diào)整四足動(dòng)作，以保持身體穩(wěn)定，避免摔倒。它之所以具備如此強(qiáng)大的能力，離不開其精巧的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和縝密的計(jì)算系統(tǒng)。

Big Dog以四足哺乳動(dòng)物的軀體結(jié)構(gòu)為參考，采用機(jī)械方式進(jìn)行組裝，四肢具備的關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)可以有效吸收沖擊，起到減震作用;其整體具有16個(gè)自由度，可以在橫縱兩個(gè)方向自由移動(dòng)，除此之外，Big Dog由一臺(tái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，進(jìn)而控制每段肢體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了軀體的靈活運(yùn)動(dòng)。

Big Dog搭載的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有效保障了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立自主性，僅需要少量的人工干預(yù)，機(jī)器人就可以完成既定任務(wù)。該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在關(guān)節(jié)和足底等區(qū)域的傳感器檢測(cè)肢體狀態(tài)信息，借助陀螺儀和慣性傳感器監(jiān)測(cè)軀體的平衡穩(wěn)定信息，從而能夠及時(shí)對(duì)平衡干擾因素做出快速反應(yīng)，有效保證了重心穩(wěn)定，使得機(jī)器人能夠保持平穩(wěn)的姿態(tài)前行。

同時(shí)，它還具備較高的導(dǎo)航智能性，可以通過(guò)激光雷達(dá)傳感器和立體視覺傳感器自主感知周邊的環(huán)境信息，進(jìn)而在虛擬環(huán)境中構(gòu)建地形模型，同時(shí)借助自身搭載的運(yùn)算電腦進(jìn)行路徑規(guī)劃，依靠運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)沿規(guī)劃路徑到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

盡管Big Dog擁有強(qiáng)大的功能，但由于其運(yùn)行過(guò)程中噪音較大，最終沒(méi)有被美國(guó)軍方采用。

LS3：能擔(dān)能抗的大力士

LS3又被稱為“阿爾法狗”，其中“LS”是“Legged Squad”的縮寫。LS3機(jī)器人是波士頓動(dòng)力公司繼Big Dog之后推出的一款新型四足機(jī)器人，于2012首次公開亮相。與Big Dog相比，LS3的體型更為龐大，負(fù)載能力更強(qiáng)，移動(dòng)速度也更快，實(shí)用性能有了大幅提升。

在波士頓動(dòng)力公司發(fā)布的宣傳視頻中，LS3在裝載著重物的條件下，仍能靈敏地爬上山坡或通過(guò)崎嶇的爛路。

LS3高度約為1.7米，重量約為509公斤，可以背負(fù)181公斤的有效負(fù)載進(jìn)行自由行走和奔跑（在一次平地測(cè)試中，LS3曾創(chuàng)下背負(fù)500公斤負(fù)載進(jìn)行自由行走的紀(jì)錄），最快移動(dòng)速度可達(dá)45公里/小時(shí)，在實(shí)際測(cè)試中，LS3可在崎嶇的山路中依然保持較快的前進(jìn)速度。

它具有12個(gè)自由度，由燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，進(jìn)而控制每段肢體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)軀體的靈活運(yùn)動(dòng)。在燃料充足的情況下，LS3可運(yùn)行24小時(shí)，最遠(yuǎn)行駛里程可達(dá)32公里。

LS3繼承了Big Dog的移動(dòng)特性，通過(guò)借助地形感測(cè)、避障和GPS等技術(shù)，保障前行過(guò)程中的安全性，從而可以順利到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。除此之外，LS3采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤，因此它無(wú)需搭載專用的驅(qū)動(dòng)程序即可跟隨目標(biāo)人員前行。

LS3參與了美國(guó)軍方的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)，但由于其自身運(yùn)行噪音問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決，且故障維修難度較大，最終還是遭到美國(guó)軍方棄用。

Wild Cat：機(jī)器人領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)健將

Wild Cat又稱“野貓機(jī)器人”，是波士頓動(dòng)力公司于2013年推出的一款四足機(jī)器人，其前身是Cheetah，即“獵豹機(jī)器人”。Cheetah的軀體上方連接著多根線纜，這也注定它只能是一款在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的機(jī)器人。

在波士頓動(dòng)力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Cheetah在跑步機(jī)上創(chuàng)造了48公里/小時(shí)的機(jī)器人奔跑時(shí)速紀(jì)錄。

盡管Cheetah只能在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行，但它卻創(chuàng)下了48公里/小時(shí)的奔跑速度紀(jì)錄。Cheetah采用關(guān)節(jié)型的背部結(jié)構(gòu)，這使得Cheetah的背部結(jié)構(gòu)能夠在其奔跑過(guò)程中靈活運(yùn)動(dòng)，以更好地協(xié)調(diào)整體姿態(tài)，提高步幅和奔跑速度。

在波士頓動(dòng)力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Wild Cat可以在戶外敏捷地奔跑，并且可以輕松跳過(guò)障礙物甚至在奔跑過(guò)程中實(shí)現(xiàn)急停、掉頭等操作。

我們可以將Wild Cat看做是Cheerah的“無(wú)線版本”，它的高度約為1.17米，重量約為154公斤，最快移動(dòng)速度可達(dá)32公里/小時(shí)。Wild Cat可以適應(yīng)多種地形，在復(fù)雜路況條件下也能以16公里/小時(shí)左右的速度保持前行。除此之外，Wild Cat還能夠?qū)崿F(xiàn)快速跳躍和快速轉(zhuǎn)身等動(dòng)作，相較于Big Dog和LS3而言，靈活性有了大幅提升。

Wild Cat具有14個(gè)自由度，由一臺(tái)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，進(jìn)而控制每段肢體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)軀體的靈活運(yùn)動(dòng)。除此之外，Wild Cat采用激光測(cè)距儀來(lái)精確測(cè)量機(jī)器人距地面高度及自身姿態(tài)等信息，并通過(guò)動(dòng)態(tài)控制算法計(jì)算出四肢所需執(zhí)行的動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

雖然Wild Cat采用了甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，但運(yùn)行噪音依然較大，未來(lái)如果采用電池能源提供動(dòng)力，那么Wild Cat就可以實(shí)現(xiàn)低噪奔跑，提高其自身的隱蔽性，從而在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮出色作用。

Spot：小巧靈活的機(jī)靈鬼

波士頓動(dòng)力公司先后研發(fā)了Big Dog、LS3和Cheetah三款四足機(jī)器人，盡管這些機(jī)器人在性能方面都有著卓越的表現(xiàn)，但由于噪音問(wèn)題較為突出，最終都沒(méi)有得到廣泛使用。因此，波士頓動(dòng)力公司充分總結(jié)了過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，打造了一款名為“Spot”的新型四足機(jī)器人。

在波士頓動(dòng)力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Spot機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了低噪運(yùn)行，可以借助兩條肢體在原地跳躍而不摔倒，并且可以靈活上下樓梯。

Spot是波士頓動(dòng)力公司在2015年推出的一款四足機(jī)器人，其高度約為0.94米，重量約為75公斤，可背負(fù)45公斤的有效負(fù)載進(jìn)行自由行動(dòng)或奔跑。從波士頓動(dòng)力公司官方發(fā)布的視頻來(lái)看，Spot的爬坡速度較Big Dog更快，步伐更靈敏。

Spot具有12個(gè)自由度，采用電池能源提供動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，控制每段肢體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)軀體的靈活運(yùn)動(dòng)。采用電池能源這一舉措，有效控制住了機(jī)器人的運(yùn)行噪音，但與此同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間也受到了影響。在充滿電的情況下，Spot可以連續(xù)運(yùn)行45分鐘左右，這與LS3最長(zhǎng)連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)的時(shí)間形成了鮮明對(duì)比。

Spot采用激光雷達(dá)傳感器和立體視覺傳感器感知周邊路面信息，從而有效避開路面障礙，合理協(xié)調(diào)四肢動(dòng)作，但Spot的移動(dòng)并不完全依靠這套傳感系統(tǒng)，有時(shí)候它也靠“感覺”。

在波士頓動(dòng)力公司官方發(fā)布的視頻中有這樣一幕：Spot正獨(dú)自攀上一段臺(tái)階，但它并不能根據(jù)臺(tái)階的高度和寬度調(diào)節(jié)步高和步幅，盡管每一節(jié)臺(tái)階都較矮且寬，但Spot還是保持較高的步高和較短的既定步幅，這導(dǎo)致它在攀爬過(guò)程中出現(xiàn)了一次失誤。因此我們可以想象，如果這組臺(tái)階每一節(jié)的高度和寬度都不同的話，那么Spot的失誤或許會(huì)更多。

之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的失誤，原因在于Spot在攀爬臺(tái)階的過(guò)程中，激光雷達(dá)傳感器和立體視覺傳感器不能捕捉到完善的路面信息，因此Spot需要根據(jù)僅有的少量路面信息估算四肢的動(dòng)作，盡管這對(duì)Spot通行能力的影響幾乎可以忽略不計(jì)，但這卻為波士頓動(dòng)力公司進(jìn)一步完善機(jī)器人行為能力，提供了典型素材。

Spot Mini：執(zhí)著的“獨(dú)臂勇士”

2017年11月，波士頓動(dòng)力公司對(duì)外展示了其研發(fā)的最新一款四足機(jī)器人Spot Mini。與Spot相比，Spot Mini的外形更加小巧，并且在頭部增設(shè)了一副機(jī)械臂，機(jī)械臂的頂端是一個(gè)夾手，可以靈活操控物體。

在波士頓動(dòng)力公司發(fā)布的宣傳視頻中，Spot Mini在人類阻攔的條件下，仍用自身搭載的機(jī)械臂奮力打開了關(guān)閉著的鐵門。

Spot Mini高度約為0.84米，重量約為30公斤，可背負(fù)14公斤的有效負(fù)載自由行動(dòng)或奔跑。與Spot相同，Spot Mini也采用電池能源提供動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸出動(dòng)力，控制每段肢體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)軀體的靈活運(yùn)動(dòng)。與Spot相比，Spot Mini的單次運(yùn)行時(shí)間有了較大提升，在滿電狀態(tài)下可運(yùn)行約90分鐘。

Spot Mini繼承了Spot的所有移動(dòng)特性，并具有17個(gè)自由度，其中有5個(gè)自由度位于其頂部的機(jī)械臂上，其余12個(gè)自由度平均分布于四肢。機(jī)械臂的作用不僅在于操縱物體，還可以在Spot Mini跌倒時(shí)輔助其重新站立。

Spot Mini的機(jī)械臂上搭載了一個(gè)攝像頭，這有助于幫助機(jī)械手準(zhǔn)確地找到目標(biāo)物體。除此之外，Spot Mini的正前方還搭載了一套3D立體攝像頭，這可以幫助它更好地觀察前方的障礙物情況，例如，Spot Mini可以在遇到桌子時(shí)降低姿態(tài)，從桌子下方順利通過(guò)。因此，我們有理由相信，Spot Mini在進(jìn)行類似于攀爬臺(tái)階等活動(dòng)時(shí)，會(huì)具有比Spot更加出色的表現(xiàn)。

波士頓動(dòng)力公司曾贈(zèng)送給特斯拉公司CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）一臺(tái)Spot機(jī)器人，當(dāng)埃隆·馬斯克在戶外運(yùn)行這臺(tái)機(jī)器人時(shí)，旁邊有一只小狗卻一直沖著Spot狂吠不止，這個(gè)細(xì)節(jié)雖然有趣，但也應(yīng)該引起我們對(duì)于機(jī)器人外形設(shè)計(jì)的重視。由于Spot與Spot Mini有著相似的外形，所以，不難想象，寵物們對(duì)于Spot Mini的態(tài)度應(yīng)該也不會(huì)太友好。因此，如何讓機(jī)器人的外形更好地被動(dòng)物接受應(yīng)該成為機(jī)器人設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)之一。

“大狗們”為我們開啟了一扇門

面對(duì)機(jī)器人智能化程度的不斷提高，有人表示恐懼，也有人表示樂(lè)觀，這似乎很好地解釋了“恐怖谷理論”。在一次公開演講中，馬克·雷波特闡明了自己的觀點(diǎn)，他表示，機(jī)器人的發(fā)展會(huì)給我們的生活帶來(lái)積極影響，未來(lái)，機(jī)器人可以幫助我們照顧父母、看護(hù)孩子甚至照顧殘疾人士，而且這一天很快就會(huì)到來(lái)。

相信你也對(duì)網(wǎng)上流傳的Spot Mini開門的視頻印象深刻，其實(shí)，Spot Mini打開的不僅是一扇普通的鐵門，更是一扇通向美好生活的大門。只要我們堅(jiān)定信仰，采用先進(jìn)的技術(shù)為機(jī)器人賦能，那么人機(jī)共存、互利共生的盛世局面終會(huì)到來(lái)，而我們正對(duì)這一天的來(lái)臨，滿懷期待。