Nature子刊：EPFL、MIT等名校联合突破 基于协同控制的四足机器人

看到狗狗灵活地奔跑、跳跃，你是否好奇过它们是如何控制身体的每个关节，让动作如此流畅自然？

近日，Nature Machine Intelligence刊登了一项重磅突破：来自EPFL、代尔夫特理工、MIT等顶尖研究机构的团队，开发出了一款名为PAWS的四足机器人，仅用4个电机就能控制12个关节，实现了接近生物的自然运动。

这个突破有多惊人？传统四足机器人往往可能需要每个关节配备一个电机，12个关节就需要12个电机。而PAWS用1/3的电机数量，不仅实现了基本运动，还能展现出令人惊叹的环境适应能力。

这项成果源于研究团队对生物运动的深入研究和巧妙的机械设计。让我们一起来看看这个突破性的研究。

▍解密生物运动的奥秘

提到四足动物的运动能力，很多人会想到猎豹70mph以上的奔跑速度，或是山羊在险峻山崖间的灵活跳跃，还有驯鹿年度迁徙时横跨数千英里的持久力。这些能力一直是机器人研究者追逐的目标。

传统的四足机器人设计往往需要复杂的控制系统，需要大量传感器实时反馈，需要强大的计算能力来协调所有关节。简单说，就是用蛮力来实现运动。

PAWS团队选择了一条全新的路径：与其机械地模仿生物的形态，不如深入理解生物控制运动的原理。

他们分析了一个包含147,541个狗狗运动姿态的数据集。这些数据来自动作捕捉系统，记录了狗狗在行走、跑步、跳跃等各种状态下的关节运动。

通过主成分分析，研究团队发现了一个重要特征：动物的运动并不是在独立控制每个关节，而是通过"运动协同"(synergies)产生协调的激活模式。更惊人的是，仅用4个协同模式就能解释约80%的运动变化。

这个发现启发他们提出疑问：既然生物不需要独立控制每个关节，那机器人是否也可以用更少的驱动器，通过巧妙的机械设计来实现丰富的运动？

▍颠覆传统的机械设计

为了将生物运动的协同特性转化为机器人设计，研究团队开发了一套创新的机械系统。

PAWS的每条腿都有三个关节，通过精心设计的滑轮系统连接肌腱。最妙的是，机器人的"半身"（一前一后两条腿）只用两个电机就能通过滑轮控制两根肌腱，每根肌腱对应一个协同模式。

关节设计更是别出心裁。每个关节都配备了可调节的扭转弹簧模块，由两个拮抗的线性弹簧、托盘和滑轮组成。通过调节刚度滑轮的半径，可以在325到1,092 N mm rad⁻¹范围内线性调节扭转刚度。

连杆采用了铝材CNC精密加工，可以45度增量调节初始位置。机脚使用特殊的Dragon Skin 20硅胶制作，既保证了适当的地面抓地力，又提供了必要的缓冲作用。所有旋转接触处都采用高质量滚珠轴承，大大减少了摩擦损耗。

这种设计不仅简化了控制，还赋予了机器人类似生物的"机械智能"。当机器人遇到外界干扰时，不需要复杂的感知和计算，机械系统本身就能提供合适的响应。

▍超越被动的主动控制

实验结果表明，PAWS不仅完成了预期的运动任务，还展现出惊人的环境适应能力。

在抗干扰测试中，研究人员对PAWS施加外力干扰。结果显示，机器人能在几个周期内自动恢复正常运动模式。这种自适应能力完全来自机械系统的特性，不需要任何额外的控制介入。

更令人惊喜的是，PAWS在主动控制状态下依然保持着优秀的被动特性。通过在协同空间中求解逆运动学，研究团队实现了包括行走、坐下、跑动等多种生物式动作。当遇到障碍物时，机器人不需要复杂的感知和规划，机械系统本身就能提供合适的响应。

实验数据还揭示了一个有趣的现象：PAWS在工作空间中的不同位置会展现出不同的刚度特性。例如，在支撑相期间，系统在地面方向的刚度较高以支撑自重，而在摆动相期间则变得更加柔顺以更好地应对扰动。这种自适应特性与生物运动惊人地相似。

这项研究不仅实现了技术突破，更为机器人设计提供了全新思路：也许制造出色的机器人，关键不在于堆砌更多硬件，而在于深入理解和借鉴生物的智慧。这种将主动控制与被动动力学结合的设计思路，正在开创四足机器人发展的新范式。

想象一下，未来的四足机器人可能不再依赖复杂的控制系统和大量的传感器，而是通过巧妙的机械设计，就能展现出接近生物的运动能力。这不仅意味着更低的成本和更高的可靠性，还可能带来全新的应用场景。

这项发表在Nature Machine Intelligence上的研究，再次证明了生物学对机器人技术发展的重要启发作用。相信未来我们会看到更多这样融合生物学智慧与工程创新的突破性成果。