赤道

火星車需要足式機(jī)器人

來(lái)認(rèn)識(shí)一下SpaceBok，這是一個(gè)四足小機(jī)器人，它，正準(zhǔn)備向紅色星球“殘酷”的地形邁出第一步。

站在土壤中的SpaceBok機(jī)器人? 圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

從1997年登錄火星的火星車到今年2月降落的毅力號(hào)，這顆紅色星球的機(jī)器人都有一個(gè)共同的特征：輪子驅(qū)動(dòng)。滾動(dòng)遠(yuǎn)比步行更穩(wěn)定、更節(jié)能，學(xué)習(xí)人類行走的能力即使是地球上的機(jī)器人也難以掌握，你難以想象昂貴的火星探險(xiǎn)家像烏龜一樣翻倒之后的尷尬局面。

然而，輪子的問(wèn)題在于它們限制了漫游者的去向：為了探索像陡峭山丘這樣復(fù)雜的火星地形，機(jī)器迫切需要進(jìn)化為地球上的動(dòng)物提供的那種腿。因此，來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和德國(guó)馬克斯普朗克太陽(yáng)系研究所的一組科學(xué)家一直在玩一種名為SpaceBok的小型四足機(jī)器人，旨在模仿一種被稱為跳羚的羚羊。

正如它的名字一樣，現(xiàn)實(shí)生活中的跳羚在非洲沙漠中蹦蹦跳跳，或許是為了迷惑捕食者。該機(jī)器人于2018年推出的最初概念實(shí)際上是讓它在月球表面跳躍，就像宇航員在月球引力較弱的情況下所做的那樣。這可能適用于我們的衛(wèi)星，那里的地形相對(duì)平坦，但在火星上，考慮到復(fù)雜的地形——到處都是沙子、巖石和陡峭的斜坡，這可能太冒險(xiǎn)了。所以現(xiàn)在研究人員正在修改它的四肢和步態(tài)，看看它是否能夠處理更殘酷的地形。

靜態(tài)步伐和動(dòng)態(tài)步伐的實(shí)驗(yàn)

在這些新實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)對(duì)SpaceBok進(jìn)行了編程，使其步態(tài)更加傳統(tǒng)、彈性更小。具體來(lái)說(shuō)，研究人員想比較兩種步態(tài)：一種是“靜態(tài)”步態(tài)，在任何給定時(shí)間內(nèi)至少有三只肢體與地面接觸;另一種是“動(dòng)態(tài)”步態(tài)，其中不止一個(gè)肢體可以離開(kāi)地面。前者更有條理，但后者效率更高，因?yàn)樗梢宰寵C(jī)器人移動(dòng)得更快。

?機(jī)器人平面腳底板設(shè)計(jì)成了扁平的旋轉(zhuǎn)圓盤

研究人員還為SpaceBok配備了兩種支腳：點(diǎn)支腳和平面支腳。尖足的表面積很小，有點(diǎn)像真正的跳羚的蹄子。相比之下，平面腳實(shí)際上是扁平的旋轉(zhuǎn)圓盤，當(dāng)腳與地面接觸時(shí)會(huì)彎曲成一個(gè)角度。說(shuō)真的，它們就像帶防滑釘?shù)难┬?，布滿了幫助腳抓地的凸起物。

研究人員為了定制機(jī)器人的不同步態(tài)和步伐配置，把它放在一個(gè)巨大的傾斜沙箱中，沙箱里裝滿了與火星上發(fā)現(xiàn)的土壤相似的材料。配置允許機(jī)器人爬上25度平面，并通過(guò)監(jiān)控機(jī)器人的能源使用情況，量化步態(tài)和腳的每種配置效率。

描述這項(xiàng)工作的資料預(yù)印本，已被發(fā)表在《FieldRoboLics））《野地機(jī)器人》雜志上，他們表明該機(jī)器可以靈巧而有效地爬上模擬的火星山丘而不會(huì)翻倒。該研究的主要作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人專家亨德里克·科爾文巴赫說(shuō)：“我們想證明，如今這些動(dòng)態(tài)工作的系統(tǒng)實(shí)際上可以在火星沙灘上行走，這是一項(xiàng)未來(lái)具有很大潛力的技術(shù)?！?/p>

有趣的是，機(jī)器人使用扁平足和尖足都可以很好地爬上山坡。平面腳底的機(jī)器人可以停在沙子上，尖頭版本腳底的機(jī)器人會(huì)下沉，提供一種錨點(diǎn)固定機(jī)身。

“一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，尖腳在這個(gè)特定的斜坡上表現(xiàn)也不太差?！笨茽栁陌秃照f(shuō)。至少對(duì)于這種模擬的火星土壤來(lái)說(shuō)是這樣。在實(shí)際的紅色星球上，沙子中可能隱藏著巖石——如果機(jī)器人路過(guò)，它可能會(huì)摔倒。埋藏的巖石是特別具有挑戰(zhàn)性的障礙物，因?yàn)闄C(jī)器人無(wú)法用相機(jī)檢測(cè)到它們。

研究人員可以為SpaceBok配備攝像頭進(jìn)行自主導(dǎo)航，但在實(shí)驗(yàn)中，它是盲目行走的。在布滿沙子的巖石地形的情況下，具有尖腳的機(jī)器人更有可能撞到隱藏的石頭。研究小組發(fā)現(xiàn)，扁平足使機(jī)器人行動(dòng)變慢，但占的形狀使其更有可能安全地越過(guò)障礙物。

但是扁平足也有一些缺點(diǎn)。由于沙箱是有角度的，里面的材料滑動(dòng)是另一個(gè)大挑戰(zhàn)。想一想當(dāng)你爬上沙丘時(shí)，腳邊出現(xiàn)沙崩時(shí)會(huì)發(fā)生什么。如果沙子在你下方不斷移動(dòng)，則需要更多的能量才能爬上那個(gè)斜坡——你既要與斜坡作斗爭(zhēng)，又要與流沙作斗爭(zhēng)，極度消耗體能。而對(duì)于SpaceBok來(lái)說(shuō)，扁平足造成了更多的表面干擾，增加了滑移。

機(jī)器人嘗試用平面腳進(jìn)行靜態(tài)步態(tài)實(shí)驗(yàn)

所以，理想的設(shè)計(jì)可能介于兩種腳底板設(shè)計(jì)之間。科爾文巴赫說(shuō)：“我認(rèn)為與尖足相比，肯定需要增加表面積，因?yàn)樵诨鹦巧险娴男枰苊馍车叵鲁潦录?，一旦陷在那里你可能再無(wú)法出去了。”未來(lái)，研究人員需要為SpaceBok改進(jìn)，讓它可以實(shí)時(shí)修改其表面積以適應(yīng)不同種類的土壤。

此外，四足機(jī)器人的步態(tài)也需要類似的靈活性，與使用更接近四足動(dòng)物移動(dòng)方式的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)相比，機(jī)器人在靜態(tài)時(shí)更安全，其中它始終保持至少三條腿在地面上。但當(dāng)SpaceBok試圖爬上斜坡時(shí)，推動(dòng)前進(jìn)的腿會(huì)讓速度受限?？茽栁陌秃照f(shuō)：“在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中，至少有兩只腳推動(dòng)機(jī)身，所以還需要一些能量來(lái)承擔(dān)機(jī)器人自身的重量，保持平衡顯得不那么容易?！?h3>適應(yīng)地形的“實(shí)體化”趨勢(shì)

未來(lái)的SpaceBok需要改變其步態(tài)以及腳的形狀。在平原上，它可以使用動(dòng)態(tài)步態(tài)更快地移動(dòng)并節(jié)省能量。當(dāng)它試圖爬上特別崎嶇的山丘時(shí)，它可能會(huì)切換到靜態(tài)步態(tài)以更安全地行走，從而犧牲能量避免從斜坡上掉下來(lái)。

尋路策略也很重要。在這些實(shí)驗(yàn)中，SpaceBok配備了一種算法，可以監(jiān)控其能源使用情況，以自動(dòng)確定最有效的路徑。這產(chǎn)生了一種“緊急”行為，其中機(jī)器人在爬升時(shí)選擇了“之”字形折返，而不是迎面沖上山，因?yàn)楹竺嬉环N模式更耗電。

挪威機(jī)器人專家特恩斯·尼加德表示，機(jī)器人的硬件、軟件和周圍環(huán)境之問(wèn)的這種密切相互作用是“實(shí)體化”機(jī)器人技術(shù)大趨勢(shì)的一部分。借助自身機(jī)器人技術(shù)，工程師們正在訓(xùn)練機(jī)器適應(yīng)困難的地形。理想情況下，在火星上行走的機(jī)器人具有類似的適應(yīng)性，特別是因?yàn)樗枰叨鹊淖灾鳈?quán)，這要?dú)w功于地球的通信延遲。

不受輪子限制的機(jī)器人的前景令研究人員感到興奮，他們對(duì)調(diào)查沙地或陡峭地形有著濃厚的興趣?！拔覀兘?jīng)常對(duì)這些區(qū)域感興趣，尤其是隕石坑，那里曾經(jīng)有過(guò)古老的湖泊?！泵绹?guó)國(guó)家航空航天博物館的行星科學(xué)家瑪麗·亞貝克說(shuō)，她曾在洞察號(hào)著陸器以及好奇號(hào)和毅力號(hào)上工作過(guò)，“那些星球是曾經(jīng)有流水的地方，很可能有過(guò)生命。隨著我們建立新的穿越和探索方式，可能使用這些新型機(jī)器人，打開(kāi)我們以前無(wú)法探索的地球部分?！?p>

帶有尖腳底部的動(dòng)態(tài)步態(tài)

那么，SpaceBok的升級(jí)版可能會(huì)加入多樣化的科學(xué)機(jī)器人大軍，去尋找火星生命?！白闶綑C(jī)器人可能無(wú)法取代太空中的輪式機(jī)器人?！蹦峒拥抡f(shuō)，“但它們絕對(duì)可以帶來(lái)寶貴的貢獻(xiàn)，并在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮重要作用?！?/p>