上图这个机（jī）器人（rén）可不简单，它是世（shì）界（jiè）纪录的保持者，目前最新的纪录（lù）是（shì）连续步行27小（xiǎo）时，总长（zhǎng）72公里（相当（dāng）于十万步还要多）。而最最关键的是，它完全（quán）凭借自己完美的机（jī）械结构，没有任（rèn）何动力源（yuán）。对！没有电（diàn）机、没（méi）有（yǒu）电（diàn）源，给（gěi）它一个（gè）初始动力就在那干走27个（gè）小（xiǎo）时（shí）。它的发明者是日（rì）本名古屋工业大学佐野明人教授。

portant;" />

这是证书

这很不可思议，然而这件不可（kě）思议的事（shì）情背后肯（kěn）定有（yǒu）支撑它（tā）的理论。它依赖的是仿生学和生物动力学，而在现（xiàn）有250多个灵长类物（wù）种中（zhōng），只有一个物种（zhǒng）是（shì）用（yòng）两（liǎng）条腿走来走去的——那就是我（wǒ）们人类。至少90%的人会认（rèn）为，我们（men）行走靠（kào）的是肌肉，然而（ér）科学研（yán）究却证明（míng）不仅仅是（shì）这样。就像开头（tóu）的（de）机器人它基于的“被动（dòng）行走”理论（lùn）阐述（shù）的（de）是人双足行走不仅仅（jǐn）需要肌肉的主动拉伸，同时更需要大自然的重力去配合着（zhe）完成（chéng）。

portant;" />

忽略旁边抢镜的日本老头，是不是很（hěn）像（xiàng）人类偷懒时的行走方（fāng）式？

什么是被动行走理论？我们先来揭秘一下（xià）自己的双腿

关于人（rén）类祖先为什（shí）么要（yào）放弃四肢着地，而选择直立（lì）行（háng）走（zǒu）的理论可谓是五花八（bā）门，至今也没有定论（lùn）。有人说是为了（le）解放双手进行劳作，有人说是（shì）为了摘（zhāi）到以前够不到（dào）的果子，甚至有人说是为（wéi）了在微风中更好（hǎo）的散热。似乎都有些道理，但有一种解释——可以节约（yuē）能源，是有科学依据的。三（sān）位美国（guó）科学家（jiā）（加州大学戴（dài）维斯分校的迈克尔·索科尔、亚利（lì）桑那（nà）大学的戴维·赖希伦和华盛顿（dùn）大（dà）学的赫（hè）尔曼（màn）·庞泽尔），对比黑猩猩与人类行走（zǒu）所（suǒ）消耗的能（néng）量做了一个实验，并将结果发表在了美国《国（guó）家科学院学报（bào）》上：人类之所以最终进化成为两（liǎng）条腿走路的动（dòng）物（wù），主要（yào）是（shì）因为这种行（háng）走方式最（zuì）为节（jiē）省（shěng）能量（liàng）。

通过对5只黑猩猩和4个成年人在跑步机上运动时耗（hào）氧量（liàng）的比（bǐ）较，他们发（fā）现，人类直立行走所（suǒ）需（xū）要的能量是黑猩（xīng）猩四肢行走耗能（néng）的四分之一。科（kē）学家说（shuō），这些定量的数据说（shuō）明直立行走比四肢行走（zǒu）更节省（shěng）能量。有趣（qù）的是，科学家还发现，同一群体的不（bú）同个体（tǐ）之间也存在很大差异，起初黑猩（xīng）猩两（liǎng）腿直立行走和四肢着地行走（zǒu）时所耗（hào）费的能量几乎（hū）没有差（chà）别，但是，长期进（jìn）行直（zhí）立（lì）行走训练的黑（hēi）猩（xīng）猩，会比短期训练的（de）黑（hēi）猩猩（xīng）更（gèng）节省能量（liàng）。所以（yǐ），直立行走需（xū）要技巧，人也是一样，有些人看似走（zǒu）着，但他并不会“走路（lù）”！

portant;" />

索科尔说，“人类学会直（zhí）立行走（zǒu）时东（dōng）非地区的降水越来越少，原本茂盛得密不透风的森林（lín）变得越来越稀疏空旷，食物来（lái）源也变得越来（lái）越（yuè）分散（sàn）。我们的祖先不（bú）得不走更（gèng）远的路来（lái）获（huò）取足够的（de）食物。假如（rú）用两条腿走远路（lù）能省点力（lì）气，那么（me），谁长（zhǎng）途（tú）跋涉更（gèng）不费劲，谁就占便宜。”“如果四处采集食物时能节（jiē）省些能（néng）量，那（nà）份能量就（jiù）可以用来发育和繁殖（zhí）。”赖希伦（lún）说：“人类的祖先一旦（dàn）发现了直立行走的好（hǎo）处，他们便会慢慢适（shì）应这种新（xīn）的行走（zǒu）方式，这就是自（zì）然选（xuǎn）择的作（zuò）用（yòng）。”达尔文的“物（wù）竞天择，适者（zhě）生存”放（fàng）之四海而皆准。

我们的祖先（xiān）经过许多世代更迭（dié）、漫长岁月洗礼（lǐ）而形成（chéng）的（de）这些改变，看（kàn）来的确（què）没有白费（fèi）功（gōng）夫，事实证明（míng）相当实用。哈佛大学人类学系（xì）的丹·利伯曼通过（guò）实验发现，直立行走可以说（shuō）是有关平衡、协调、效率的壮（zhuàng）举。他发现，在行走过程中，双腿的作用就像颠倒（dǎo）的摆钟——以一条支（zhī）撑腿为支点，身体在其（qí）上做弧线（xiàn）摆动。这使得身体每迈出一（yī）步所消耗的大部分能（néng）量得以（yǐ）储存，减少了一半以上的（de）能（néng）量（liàng）消耗。

portant;" />

我们小时候（hòu）认为最神奇的（de）玩具之（zhī）一

被动动力学（xué）理论创（chuàng）立（lì）与成（chéng）熟

生物学家发现人类直立行（háng）走（zǒu）的大奥秘，动力学家们就闲不住了。1990年，加拿人学（xué）者T.McGeer提出了被动（dòng）动力学（xué）理论，并由（yóu）此有了“机器人（rén）被动（dòng）行（háng）走”的概念。用（yòng）完全的被动动（dòng）力学法，机器人的所有关（guān）节无须驱动，只依靠机（jī）器人和环境（jìng）二者之间交互的动力学特性就可以实现自发（fā）步行（háng），所以称作被动步（bù）行。因为没有能量输入，为（wéi）了克服（fú）摩擦和脚触地时的能量损失，通（tōng）常（cháng）在斜坡上下行时实现（xiàn）自发步（bù）行，此时重力补偿了能量（liàng）损失。这种自发（fā）的稳定步态完（wán）全（quán）是由机器（qì）人的机械结构决定的（de）。下面是一个简单的（de）原（yuán）理图（tú）。

portant;" />

基于自己的（de）理论，T.McGeer先后构建了2D无关节的纯被（bèi）动机器人和（hé）有（yǒu）膝关节的双足被（bèi）机器人。自T.McGeer开创性工作之后，美国、欧洲和日本的大学就都开始在被动步态领域展开的深（shēn）入（rù）的研究（jiū）。其中（zhōng）比较出（chū）名的是康（kāng）纳（nà）尔大学的、麻（má）省理工学院、荷兰代尔夫特理（lǐ）工大学和前（qián）面提（tí）到的日本（běn）名古屋工业大学。一时（shí）间完全被（bèi）动的和有驱（qū）动的不行机器（qì）人风靡（mí）全球（qiú）的科研院所。

portant;" />

本（běn）文开篇提到的那个超牛（niú）掰的机器人佐野明人教授花了（le）十几年时（shí）间于（yú）2009年研制成功的（de）。而这（zhè）种机器人（rén）有一个（gè）弊端，在没有动力源的情况下，要求机器（qì）人行（háng）走的路面必须是一个斜坡，显然这对于能应用于我们生活中的机（jī）器人是不现实的。所以科学（xué）家的目的不在于此，他们的目的是什么？清华大学重点（diǎn）实验（yàn）室的教（jiāo）授（shòu）在论文中这样说：在（zài）充分分析机器人被动行（háng）走（zǒu）原（yuán）型系统的（de）基（jī）础上（shàng）逐步加大（dà）机（jī）器人（rén）结构的复（fù）杂度，研究引入驱动的（de）半被（bèi）动步行机器人。最终利用所得的结论指导机器人（rén）的设计和（hé）控（kòng）制，从而实现稳（wěn）定、鲁棒、高效的仿人双足（zú）机器人。

portant;" />

所以，在此基（jī）础上波士顿动力研发出了上图这款叫ATRIAS的（de）机（jī）器人（rén）。它在两条（tiáo）腿上面的盒（hé）子（zǐ）中（zhōng）加上了驱（qū）动（dòng），而腿部放置了弹簧（用以储（chǔ）能（néng）），在（zài）行（háng）走的过程中腿以以一种被动摆动的形式交互（hù）运作（zuò）。ATRIAS引入了弹簧-质点模型（身体的质量以一（yī）个单点的形（xíng）式（shì）附着在一条“无质量”的弹簧腿上）。腿上的弹簧可以在每只脚落（luò）地时储存部分（fèn）能量，并把它转变成推动机器人下一步（bù）的力量，正如动物（wù）腿上（shàng）的弹性关节。

portant;" />

与大多数机器人（rén）采（cǎi）取的静态稳定性的方（fāng）法不同，ATRIAS以动态稳定的方（fāng）式行走，这与人类的行走方式相同：在每（měi）次迈步的（de）过程中于倾倒之（zhī）前（qián）获得平衡。这样，当被动摆（bǎi）动（没有电机）的双腿与强大的髋关节电（diàn）机相连时，弹簧－质点模型（xíng）就能产生一种极为高（gāo）效的（de）步态，受到（dào）扰动时能够（gòu）神奇般地自（zì）动复原。

portant;" />

在ATRIAS基础上，今（jīn）年2月份Agility Robotics公（gōng）司（ATRIAS研发团队（duì）中的某些人）又推（tuī）出了上面（miàn）这款机（jī）器人（rén）Cassie。看图片也知道，相比于人类来说，它（tā）更像是一只鸵鸟的（de）两条腿。但无论如何，图（tú）片中的Cassie才三个月大，关于（yú）Cassie的（de）详细介绍，可以查（chá）看我（wǒ）们（men）之前的文章：深度解析|鸵鸟机（jī）器人Cassie，如何（hé）进化成（chéng）机器人通（tōng）用型平台？最最重（chóng）要（yào）的，Cassie不再仅仅是用（yòng）作实验（yàn）室（shì）的研（yán）究，它可以走出（chū）去用于灾（zāi）害救援（yuán），也可（kě）以用于货物运输。

最（zuì）后说一个小（xiǎo）插曲，ATRIAS的（de）全称（chēng）是“assume the robot is a sphere”，意为“假定机器人是一个（gè）球体”——这是物理（lǐ）学圈内（nèi）的一个（gè）经典笑（xiào）话，基本意思是“简单（dān）的才是最好的”。感觉有种站在高地嘲笑那些（xiē）苦心钻研各种算法的（de）科（kē）研人员（yuán）的意思。不过我很赞同他们的观（guān）点，正应（yīng）了中（zhōng）国的一句（jù）成语——大繁若（ruò）简。

portant;" />

机（jī）器人，就是夹杂着各（gè）种科学的奇思（sī）妙想（xiǎng）