国产科幻大片《流浪地球2》中的机器狗笨笨和门框机器人是两个很受欢迎的角色。
(资料图片)
笨笨在电影中被称为月面机器人，有着轮式、足式两用的多功能移动装置，可以在月面复杂地形中自由穿梭，似乎还具有媲美真实狗狗的情感表达和智慧判断能力，可以向人类伙伴撒娇卖萌，是大家的好朋友。
而门框机器人则有着简洁、硬朗的门框式两足造型，通过搭载不同的功能模块，可以实现安检、火力压制、冲击防护甚至索降潜水等功能，是人们可以信赖的坚实后盾。
这两款机器人的设定颇具新意，同时又非纯粹天马行空般的空想。
这由此让我们不禁有所期待：在若干年后，机器狗笨笨和门框机器人也许真的有可能成为现实？
从木偶人到机器狗笨笨，逐步实现的科幻梦
这样的想法并非毫无根据。因为在人类历史上，很早就有了根据人类、动物、昆虫的形象来制造仿生机器人的畅想和尝试。
我国古代道家著作《列子》中有一篇名为《偃师造人》的故事，文中名叫偃师的木匠制造出了一个身体构造和真人一模一样的木偶人，这可谓是我国最早的科幻小说。
据《墨经》记载，鲁班发明过一只木鸟，这只仿生鸟可以在空中飞行三日。
三国时期的诸葛亮据说曾发明了一种叫做“木牛流马”的运输装置，可以驮运着货物轻松走山路，极大提高了补给运输效率，可惜这种技艺早已失传了。
在欧美、印度等神话中，同样不乏有关机器人的传说和文学作品。
偃师造人（图源：搜狐）
科学技术的发展使得这些幻想有了成为现实的可能。
1495年，达芬奇设计了一款穿戴有盔甲的机器人，可以通过链条和齿轮进行操控。
达芬奇所设计机器人的现代还原品（图源：维基百科）
18世纪的法国发明家沃康松发明了许多仿生机器人，如“长笛手”、“管乐演奏者”和“管乐演奏者”等。其中这只仿生鸭子获得了巨大成功，就连伏尔泰、霍桑等文学家的作品里都提到过它。
会消化的鸭子（图源：blogspot.com）
1867年，美国人德德里克发明了一个拉车机器人，这个机器人由蒸汽驱动，可以在平整地面上慢慢走动。
蒸汽机器人（图源：搜狐）
俄国人Chebyshev于1870年发明的一款四足行走机构被认为是有记载最早的腿足式仿生机器人。
Chebyshev发明的腿足式行走机器人（图源：Artobolevsky, 1964）
1893年，美国人Rygg申请了一项关于机器马的专利，驾驶员利用踏板、链节和曲柄可以使马腿做出相应的动作。
Rygg发明的机器马专利示意图(图源：文献[1])
随着近几十年科技的进一步发展，工程师们在仿生机器人的设计和制造方面已经取得了巨大的进步，有模仿鱼类的机器鱼“RoboTuna”、模仿青蛙的蛙形仿生跳跃机器人，还有模仿昆虫的机器苍蝇“RoboFly”等。其中最火的，则是波士顿动力公司推出的SpotMini机器狗。
这是一款与机器狗笨笨相似的网红产品，它有四条腿和一个可额外附加的多功能机械臂，具有出色的运动和平衡能力，可完成货物运输、安保巡逻、救灾抢险等复杂任务。
机器鱼“RoboTuna”（左），蛙形仿生跳跃机器人（中）和机器苍蝇“RoboFly”（右）（图源：文献[2]）
SpotMini机器狗（图源：futura-sciences.com）
我国山东大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、宇树科技等机构的学者同样研制出了许多类型的机器狗产品，颇有一番“华山论剑”的架势。
山东大学（左），哈尔滨工业大学（中）和国防科技大学（右）研制的机器狗（图源：搜狐）
仿生机器人的行动密码
俗话说，外行看热闹，内行看门道。
这些神奇的仿生机器人到底是怎么活灵活现地动起来的呢？别看它们的外形千奇百怪，但其实都大致由三个功能系统组成：控制系统、传动系统和感知系统。
其中，控制系统是仿生机器人的大脑，可以向传动系统发送执行命令。这个指令可以由操纵者做出决策并发送，也可以由控制系统自主判断发送。
传动模块通过电机、减速器等机械传动组件执行受到的命令。
而感知系统则通过各种传感器获取当前的运动状态，并将获取到的信息反馈给控制系统，以便于控制系统开展下一步决策。
在这三个系统的协同作用下，就可以形成一个简单的闭环控制系统。
其实仔细想想，这种闭环控制也是生物活动的一部分：我们平时的一举一动，不都是在大脑-四肢-感官的配合下完成的嘛！
机器人的闭环控制系统（图源：自制）
开发仿生机器人，可没想象中那么简单！
在控制-机械-感知的闭环控制系统基础上，工程师们为了研制不同类型的仿生机器人，各自采用了不同的结构设计理念和工程实现技术手段，不过却又面临了同样的难题，我们可以简单归纳为以下三个方面。
首先，开发足够聪明的自主决策算法是一大难点。例如，如何识别并判断前方物体是障碍物还是操作对象，需要用到基于图像或雷达的智能识别算法；遇到障碍物如何制定最佳绕行路线，需要用到路径规划算法；要想模拟不同生物的运动模式，如鱼的游泳姿态、狗的步行姿态和鸟的飞行姿态等，就需要控制算法对各个运动部件进行精确的步态控制；而当遇到突发情况时，如何进行自主判断，做出最优选择，就需要更加复杂的人工智能决策算法了。
《流浪地球2》中的550W量子计算机就是一种具有自我迭代进化能力的人工智能体，功能十分强大。而目前超级火爆的ChatGPT也是一种基于大数据学习的人工智能工具，它引领了全球范围内的人工智能发展浪潮。
550W量子计算机（图源见水印）
其次，研发出高性能的传动系统，才能避免落入“想得到，却做不到”的窘境。仿生机器人所用的传动系统主要包括电机和减速器两部分。电机用于把电能转换成机械能，玩具赛车上的“马达”就是一种电机。但是，电机的输出转速很快，与仿生机器人的运动速度并不匹配，所以需要用减速器来降低电机所输出的转速。为了使仿生机器人实现精准抓握（传动精度高）、抬起沉重物体（承载能力强）、不会产生噪音（噪声低）等需求，工程师们不断研制出各类性能良好、可靠性高的电机和减速器，以用在不同类型的仿生机器人上。
谐波减速器（左）和摆线针轮减速器（右）（图源：文献[3]）
传感器系统是仿生机器人的感觉器官。一般采用光学传感器、超声波传感器、激光雷达、红外线传感器等来精确探测外部物体，然后进行避障路径规划；惯性测量传感器可以用来感知自身在当前空间内的位置姿态；力传感器则用来感受来自外部物体作用力的大小。科学家们还利用压敏柔性导电材料发明了仿生皮肤，使仿生机器人更接近真实人体和动物。
总而言之，现代仿生机器人在大量黑科技的加持下，得到了突飞猛进的进步，远非早期仿生机器人的雏形可比。
如果诸葛丞相看到这些，恐怕会泪流满面：如果给我一千个这样的机器人，我还能统一不了天下？
参考文献：
[1] De Santos P G, Garcia E, Estremera J. Quadrupedal locomotion: an introduction to the control of four-legged robots[M]. Springer Science & Business Media, 2007.
[2] 简珣. 仿生机器人研究综述及发展方向[J]. 机器人技术与应用,2022(3):17-20. DOI:10.3969/j.issn.1004-6437.2022.03.017.
[3] 肖亚茹,王明明,琚立颖,等. 机器人用精密减速器类型及精度研究进展[J]. 机床与液压,2021,49(7):165-171. DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2021.07.032.
[4] 王海霞,吴清锋,吴相彬,等. 多传感器融合在机器人位置感知中的应用研究[J]. 机电工程技术,2020,49(12):89-91. DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2020.12.026.
[5] 何慧娟,王雷,许德章. 柔性触觉传感器在机器人上的应用综述[J]. 传感器与微系统,2015,34(11):5-7,15. DOI:10.13873/J.1000-9787(2015)11-0005-03.
作者：流火
兵器工业某研究所，工程师
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