断腿也能跑！97小伙研发乐高式机器人，断臂秒变三脚怪兽继续狂奔

近日，美国西北大学博士生余琛和所在团队研发出一种全新的模块化机器人，由一个个独立的智能腿模块组成，每个模块都自带电池、芯片、传感器和电机，单个模块就能跳跃、翻滚和转弯。

他告诉 DeepTech，这些模块可以像乐高积木一样自由组合，拼出三条腿、四条腿甚至五条“腿”的机器人，而且它们能在草地、沙地、碎石路等复杂户外环境里敏捷奔跑，还能在翻倒之后自己翻身，甚至能在被砍掉多条腿的情况下继续前进。

研究团队所打造的通用策略面对从未见过的损伤场景，比如随机切掉一条腿或者随机切掉两条后退，甚至只剩下一个孤零零的模块，都能迅速适应并继续移动。

在物理机器人上，这个通用策略在未受损时的移动速度达到了原专家策略的 105.3%。在各种被截肢的情况下，它的表现也远优于原测量。

在灾难救援中，这些机器人可以深入废墟，即使部分肢体被砸断或被卡住，剩下的模块也能重组策略继续前进。

在太空探索中，模块可以被打包发射，到了火星再组合成为各种形态的机器人，以便能够执行不同的任务。

（来源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

军事侦察中，机器人的容错性意味着更高的生存率。

它也为研究生物运动提供了新工具，人们可以使用这些模块快速搭建各种形态的机器人，观察不同身体结构对于运动能力的影响，反过来用于理解动物形态的演化逻辑。

图 | 余琛（来源：受访者）

事实上，这款机器人的每个模块的尺寸并不算小，完全伸展时有 62 厘米长。它的核心是一个球形关节，里面集成了电池、定制的电路板、传感器和一个高扭矩电机。两条对称的腿连接在关节上，可以 360 度旋转。

模块的外表面分布着 18 个蜂窝状的接口，两个模块之间可以使用螺丝和螺母在 435 种不同的位点上牢固连接。三个模块的组合方式就能达到数十万种，五个模块的组合方式更是达到数千亿种。

（来源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

仅仅是单个模块的运动能力就让人眼前一亮。当电机驱动关节旋转的时候，模块可以通过动态完全双腿实现滚动前进，速度达到每秒 0.46 米，功耗只有 0.38 瓦。

它还能原地转弯，速度是每秒 55 度。更惊艳的是，它能够跳起 37 厘米高，这相当于自身腿长的 1.54 倍，而且从静止到起跳，整个过程干脆利落。

（来源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

研究团队使用变分自编码器将数千亿种可能的身体构型压缩到一个 8 维的潜在设计空间里。然后，他们使用异步贝叶斯优化在这个空间里进行搜索，同时使用深度强化学习为每个候选设计从头训练控制策略。

经过评估之后，他们选出了性能排名前几的设计方案，其中包括一个三模块构型、一个四模块构型和一个五模块构型。另外，他们还手工设计了一个五模块的四足构型，其中一个模块充当了可以活动的脊柱。

无论是在仿真环境还是在现实环境，这些构型都展现出了独特的运动风格。三模块构型的步态像海豹一样笨拙可爱，依靠前后摆动身体来移动。四模块构型采用了一种三足步态，单条前腿和两条后腿交替着地。五模块构型使用多条腿组合成为更复杂的肢体来推动身体。

（来源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

手工设计的四足构型则模仿了蜥蜴，其脊柱左右摆动，以此来带动四肢爬行。所有构型都学会了两个新技能：一是在空中跳跃并旋转身体，二是在翻倒后迅速翻身恢复姿态。这些行为完全依赖模块内部的感知，比如关节角度和惯性测量，没有使用外部动作捕捉数据。

模块化设计带来了较好的容错性。传统的四足机器人如果断了一条腿，基本就废了。但是，这些模块化机器人不一样，它上面的每个模块都是一个完整的智能体。研究团队训练了一个对截肢无感的统一控制策略。

这个策略通过模仿多个专家策略产生的数据来学习，其中每个专家策略对应一种特定的损伤模式，比如断一条腿、断两条腿，或者只剩下单个模块，这样一来无论出现何种截肢情况，机器人都能快速适应新的身体结构并继续前行。

据了解，余琛本科毕业于电子科技大学，硕士毕业于上海科技大学，目前在美国西北大学读博。在做这个项目之前，他主要研究四足机器人的运动控制，还曾在小米实习参加过该公司机器狗的控制开发。

这段经历让他意识到，传统的四足机器人虽然跑得快，但是身体结构是固定的，一旦某个关节或电机坏掉，整个机器就废了。模块化机器人虽然可以自由组合，但此前的模块化机器人都跑得很慢，基本只存在于论文里，没法走出实验室。

余琛的想法就是把这两个领域的优势结合起来，使用四足机器人成熟的运动控制技术来驱动模块化机器人，让它既敏捷又耐用。

而本次研究最大的困难在于一切都是从头搭建的。大多数实验室会直接购买现成的硬件，但是他们的模块从电机到电路板都是自己设计的，在美国订购中国的电机需要等两周，定制 PCB 需要等更久。仿真机和真机之间的差距也得一点一点手动调试，这些工程上的坑花了他大量时间。但最终研究顺利完成，相关论文发表于《美国国家科学院院刊》。

（来源：https://pnas.org/doi/10.1073/pnas.2519129123）

目前，这些模块还需要手动组装。不过，它已经证明了这样一件事，那就是敏捷运动和模块化重构是可以兼得的。当一个机器人由许多拥有自主能力的小机器人组成时，它就拥有了前所未有的韧性。

参考资料：

相关论文 https://doi.org/10.1073/pnas.2519129123

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