来见识一下即将超越世界上跑步最快的人类的超级机器人吧！

你可能将机器人想象为笨拙的物体——呆板、沉闷，甚至像步履蹒跚的老人，似乎需要利用咖啡因提神。但是，机器人即将大踏步前进起来。你只需问一问哥伦比亚大学工程学教授霍德·利普森（Hod Lipson），就知道这一切了。利普森在《自然》（Nature）杂志上写道：“幼小的动物在田野上飞奔，攀爬树木，跌倒后可以立即灵巧地站起来——机器人也将效仿这些动物了。”

利普森是正确的，新一代快速机器人有望最终超越在2020年东京奥运会上参加赛跑的运动员。基于控制论、具有竞争力的著名机器人包括：麻省理工学院（MIT）占主导地位的“猎豹”（Cheetah）、波士顿动力公司的“佩特曼”（Petman）和“汉德尔”（Handle）、密歇根机器人公司的“梅布尔”（Mable）以及南非开普敦大学的“巴莱卡”（Baleka）。

此外，佛罗里达大学人类与机器认知研究所（IHMC）推出了一款无传感器的智能两足机器人，俗称“平面椭圆跑步机器人”（PER）。Verge网站将PER描述为“全机械”，这意味着只需要较少的技术就能够让它保持直立。

PER的核心是一个单独的发动机以椭圆形运动方式驱动其腿部，这有助于使它具备稳定性，避免向前或向后跌倒。扭力弹簧为PER的腿部提供额外的动力，使其更加稳定。PER的动态图形完美，不受任何数字运算处理器的影响。在跑步机上，这台步态流畅的跑步机器人每小时可跑12英里，这听起来似乎很快。毕竟，有史以来最快的马拉松比赛不过是以13英里/小时的速度展开的，那是肯尼亚的埃里德·基普乔格（Eliud Kipchoge）于2018年在柏林参赛时的速度。

IHMC研制的快跑者机器人

EPFL生物机器人实验室制造的蜥蜴机器人

《国家地理》（National Geographic）杂志报道说：IHMC的机器人先驱“希克斯跑步者”（HexRunner）创下了32.2英里/小时的世界纪录，超越了先前由MIT四足先驱“猎豹”创下的28.3英里/小时的纪录。猫科动物猎豹借助于腿、脊柱的长度和保持平衡的尾巴，仅仅在三秒钟之内即可达到69.5英里的时速。

希克斯跑步者以轮子为基础，外观与MIT基于机械的猎豹完全不同，其高度接近6英尺。通过两侧轮子的旋转，这款机器人会像风滚草一样滚动，因此只要六只脚中有一只脚离开地面，就会有另外一只脚落地。

IHMC科学家杰里·普拉特（Jerry Pratt）表示，他的团队正在努力实现机器人快速、优雅地移动。“大多数跑步和行走的机器人都装有很多传感器，每秒大约读取传感器数据1 000次，通过大量的计算来发现执行器应该做什么。而且，我们必须为将能量转化为运动的执行器提供快速、合适的功率脉冲，否则机器人就会跌倒。”

相比之下，希克斯跑步者通过机械原理运行，主要依靠弹簧和连杆平稳地运转。普拉特说：“所有反馈机制都是依照自然规律产生的，因此当你在遥控器上按下加速键时，无需进行大量计算即可获得充分的感应，这样可以加快电机速度，为电机提供更多动力。仅仅基于动力学和几何学机制，机器人就具备了稳定性。”

相比之下，跟希克斯跑步者同类的机器人“快跑者”（FastRunner）略微慢一点，时速27英里，拥有两个分叉的脚。普拉特告诉《大众机械》（Popular Mechanics）：“我们受到鸵鸟和其他快跑鸟类的启发，它们跑起来非常快，而且看似毫不费力。”

生物学家对动物的理解通常会影响机器人研究的成果，反之亦然。生物带来的启示激发了工程师的灵感，如哈佛大学制造的像章鱼一样的“章鱼机器人”（Octobot）和瑞士联邦理工学院制造的像火蜥蜴的智能“蜥蜴机器人”（Pleurobot），都是既会走路又会游泳。

普拉特说：“理解动物可以使制造更高质量的机器人变得更容易。”在实际应用中，如执行搜救任务，速度是关键。而且，跟制造比赛用的快车一样，为了制造出能够快速奔跑的机器人，我们的认识和开发技术将对制造中等速度的机器人非常有用，这样的机器人会变得极为可靠、高效和安全。”

希克斯跑步者的最高速度能够达到30英里/小时，这是普拉特所在的研究所利用控制论研制出来的最快的机器人。然而，这款机器人看起来更像轮子而不像鸟。因此，即使它具有跑步机器人所有的主要功能，也并不是每个人都愿意将其称为跑步机器人。

相比之下，两足机器人PER更像传统的机器人，显然具有最大的潜力，因为尽管只有2英尺高，但它有轻快的步速。普拉特相信，他的团队可以制造出一个长着长腿的机器鸟，奔跑速度能够超过鸵鸟。鸵鸟作为两条腿跑得最快的动物，其速度可以达到45英里/小时。普拉特说：“然而，它很可能会在不到一个小时的时间内耗完电池。尽管我们的机器人可以相当高效，但是仍远远达不到动物那样高效。在机械方面，运行中的机器人会受到发动机有限功率的阻碍，加速时空气的阻力会变强，因此如何加强结构也对机器人研发构成了挑战。

同时事实证明，MIT的猎豹能够达到28.3英里/小时的速度，比传奇人物尤塞恩·博尔特（Usain Bolt）创下的27.8英里/小时的陆地速度纪录还要快。猎豹机器人仍然是速度的基准。它通过强劲的远程电源供电，在室内的跑步机上和无扰动的理想条件下打破了这个纪录。另一个内在优势是，猎豹拥有类似于PER的高效设计。

在跑步机测试中，猎豹机器人大约相当于实际猎豹的大小和重量，以5英里/小时的速度连续小跑一个半小时，这时消耗的能量很少。这款机器人大踏步高效前进的关键是将轻巧的电动机安装在其肩部，这样可以产生较高的扭矩，且不会浪费很多热量。在2014年9月，分析家肯德尔·科斯特洛（Kendall Costello）在多戈新闻网发表的帖子中指出：其中的难点在于将电池、传动装置和电动机混装在一起。

MIT的猎豹机器人

与猎豹相似、更栩栩如生的“野猫”（WildCat）机器人，是MIT衍生公司——波士顿动力公司的研究成果，由国防部“最大机动性和操控主动性计划（M3）”资助。野猫的行进速度相当快：在平坦的地形上，在保持跟马和狗一样的奔腾状态下，其速度可达20 英里/小时。为了保持牵引力和平衡，野猫会倾斜身体转弯。

野猫的驱动装置是以甲醇为燃料的发动机，该发动机依靠压力流体驱动液压致动系统。它通过诸如“本体感觉”（对体位和运动的意识）和“视觉测距法”（对相机图像的分析）之类的方法来掌握移动轨迹。此外，野猫的激光测距仪可测量其本身与地面的距离。多戈新闻网上写道：“尽管野猫能够获得令人印象深刻的速度，但是它的大型汽油发动机却非常笨拙，因此实用性不高。”

波士顿动力公司有竞争力的产品是一台军事设备——佩特曼，该设备打破了以控制论为基础的速跑模式，将人体形状用于测试化学防护服。此外，在大型火灾等危险情况下，佩特曼有望进行熟练的搜救行动。

军事计划中心陆军技术公司称，佩特曼步行的最高速度为4.4英里/小时，似乎没有给人留下多少印象，但是它行动起来像真人一样。此外，佩特曼看起来充满活力，且具备更多能力，就像无情的、虚构的T-800终结者一般。

2011年，密歇根大学的杰西·格里兹尔（Jessy Grizzle）教授与梅布尔及实验室的成员们

密歇根大学腿部运动实验室制造的梅布尔敏捷且具有真人的特点，因在2011年被冠以最快的有膝双足机器人而闻名，现在已经不再参加竞速比赛。梅布尔的特点在于其敏捷性，且具有“旅行反应能力”，可以以6.8 英里/小时的速度跑9分钟。

哥伦比亚广播公司记者维罗尼克·格林伍德（Veronique Greenwood）写道：“梅布尔在室内的一条小径上昂首阔步、趾高气扬地走过。你会注意到，它腿部的弹跳运动跟人类奔跑时非常相似——两者都有大约40％的时间是腾飞在空中的。”梅布尔现已退休，在芝加哥菲尔德博物馆接受展览，为主题为“跨越时间的发现之旅”生物力学展览增添了魅力。

全球首款商业公开发布的有腿跑步机器人是大众筹集资金研制的“优胜跑步者”（OutRunner），尽管这款机器人已进入内部测试阶段且大有前途，但它从未离开过实验楼。优胜跑步者被Gizmodo网描述为“跑得飞快”，它呈星形，拥有两条腿。

据说，优胜跑步者的才能包括能够在几乎任何地形上跑步，不管是在沥青地面、草地还是尘土之中，都能以高达20英里/小时的速度跑步。宣传稿上说：“优胜跑步者的重心低于腿部旋转轴，利用浮力作用，使其产生了更高的稳定性，并且无需昂贵的传感器和复杂的控制算法。”不过，优胜跑步者还未能激发足够的热情。它在Kickstarter网发起的筹集资金活动仅仅筹集了62 271美元，不到目标15万美元的一半。

目前在运动控制论领域，最激动人心的新秀可能就是开普敦大学研制的新型两足机器人 “巴莱卡”，这个名字在祖鲁语中意为“冲刺”。

开普敦大学的帕特尔、卡伦·费舍尔（Callen Fisher）和布洛姆以及非洲的第一台两足机器人巴莱卡

2019年4月，巴莱卡的研制团队负责人阿米尔·帕特尔（Amir Patel）告诉记者：“在机器人技术方面，科学家正在做很多事情，但其中很多工作都集中在稳态运动或恒速运动上。”

巴莱卡是由硕士研究生亚历山大·布洛姆（Alexander Blom）设计的。通过编写带有明确参数的一次性加速和停止算法，布洛姆成功地确定了合适的机器人结构。他告诉《开普商业新闻报》的记者说：“通过测试加速和减速运动，尝试不同的腿长和传动比，可以确定我们需要制造什么样的机器人。”

接下来，该团队设计了巴莱卡的操作系统、传感器、电子器件，甚至还设计了一个切断开关。如果出现任何问题，能够立即将其关闭。

帕特尔告诉《大众机械》的记者，巴莱卡的设计旨在能够极快加速。因此，基于超高效、高扭矩扭转力的无刷直流电动机和高频软件控制器，这款机器人能够产生高能爆发力，这使得巴莱卡可以脱离地面，甚至跳跃起来。

帕特尔指出了巴莱卡能够拥有更快速度的两个原因。首先，帕特尔及其团队希望机器人更加自主化，为了实现这一目标，机器人本身能够对突然的变化（如滑片错位等）迅速做出反应。第二个原因是他们构建了一个利用新型传感系统测试高速算法的出色平台。例如，他的团队为巴莱卡设计的算法可直接转移应用到其他系统，如飞机和自动驾驶汽车等。

与普拉特一样，帕特尔也表示，这款机器人将主要应用于紧急情况。他预测：有朝一日，高速机器人将在充满挑战的灾难空间（如洪水或地震）中寻找幸存者，这一任务迫使机器人设备在跨越障碍物的同时提高速度。

从帕特尔的观点来看，运行起来的机器人已经将人甩在后面。当然，目前这些机器人特别擅长在实验室里运行！在外面的真实环境中运行起来就相当具有挑战性了，因为常常会发生故障和失误。

其中，最大的挑战是认知。帕特尔说：“目前，我们的大脑可以轻松地根据环境的变化做出调整。要想使机器人走出实验室，它们的反应需要大幅度加快，它们需要学习。”技术专家鲍里斯·科根（Boris Kogan）是阿斯麦公司的机电一体化架构师，他同意帕特尔关于机器人研发障碍的观点。

机电一体化架构师科根

科根说：“步行机器人，不管是两足的还是四足的，仍然是一个不断发展的领域。尽管步行和奔跑对于动物来说很简单，但是我们仍然看不到机器人在自然的环境中工作得很好。”他的研究将电子学与机械工程学结合在一起。

要想使机器人站起来，并确保它们在未知的干扰环境中执行任务时保持直立，就需要拥有更加智能的硬件控制。除了在每一步中必须跟地面进行交互之外，正在运行的机器人还必须要处理“任务本身”。科根说：“灾难预防和修复任务可能涉及打开门、转动杠杆、越过物体以及操作那些人类制造的设备，如使用电钻等。我们希望机器人运动领域进一步成熟，并制造出超越人类能力的下一代机器。我们抱有高期望值的另一个原因是像飞机等其他成熟的机器，通过飞行进入平流层，从而超越了我们的身体限制。”

机器人改进的前景是良好的。科根说：“已经有许多比我们更加强大的机器人了。通过一种新的橡胶状人造肌肉，机器人的力量很快就能提高15倍。利用弹性形状记忆合金等在内的适应性智能材料可能会进一步提高速度。有了足够大的功率密集型能源，或许我们就能够将任何机器推动到难以想象的速度。”在需要快速响应来避免灾难的情况下，快速机器人行动起来将比人类更快捷，效果更好。在将来，机器人能够达到的速度可能是令人吃惊的。

跟普拉特一样，科根也认为最快的机器人可能是一种混合结构。他引用了一个鼓舞人心的混合结构产品，即波士顿动力公司的汉德尔机器人，它可以通过轮子平稳快速地移动，而轮子折叠起来就可以成为双腿。这款拥有双腿、可自由行驶的机器人被《连线》杂志称为“赛格威平衡车”，站起来时身高为6.5英尺。这款平衡车通过微调控制算法保持直立，利用侧面的转动装置可以堆放箱子，运行速度为9英里/小时，可垂直弹跳4英尺。

尽管汉德尔具有惊人的灵活性，但是它的原理很简单。汉德尔使用了许多制造四足和两足机器人时所利用的动力学、平衡和移动操纵原理，但是它只有大约10个活动关节，因而其复杂性大大降低了。

“尽管轮子在平坦的地面上效率很高，但是利用腿几乎可以走到任何地方。通过将轮子和腿结合在一起，汉德尔可以兼具两个方面的优势。”科根以乐观的态度描绘了这款机器人，并且他看到了其中的巨大潜力。

战略智库Thinque公司的常务董事、未来主义者安德斯·索曼﹣尼尔森（Anders Sörman-Nilsson）也认为：“机器人全面超越我们是一种趋势，基于控制论的快速机器人是这一趋势中的一部分。”

索曼﹣尼尔森说：“我们生活在这样一个时代中——变革的速度从来没有这么快过，而且将来还要快得多。我们生活在指数式快速变革的时代，而机器人是推动这方面发展的先进技术之一。无论是体力劳动还是脑力劳动，在实现自动化或机器人化的过程中，人类都将致力于价值创新，使速度更快，质量更好，价格更便宜。”

索曼﹣尼尔森对未来进行了预测：在战争中，机器人被当作武器；或者，它们也可能被部署在与职业健康和安全相关的创新空间中，如未来工厂和数字采矿等。

尽管人类还处于线性发展的曲线上，但是机器人正在遵循着呈指数级发展的趋势。索曼﹣尼尔森说：“这意味着，在不久的将来，机器人将会超过慢如乌龟的我们。”看起来，将来各种各样的机器人将具备充分的运动能力，我们自身将成为急需提高速度的蜗牛！

资料来源 Popular Mechanics