軟體機器人能「七十二變」

說起軍用機器人，大多數人首先聯想到的就是電影《終結者》里由金屬材料製成的機器人，或是輪式、履帶式、配備有機械手和感測器的笨拙機器。日前，一段人形機器人完美玩轉後空翻的視頻在互聯網上流傳開來，使人形機器人阿特拉斯一舉成為「網紅」。以希臘神話中力大無窮、可雙肩支撐蒼天的擎天神來命名，阿特拉斯果然不負眾望，標誌著機器人研究領域的又一次飛躍。當然，更令人吃驚的還有下面這種「以柔克剛」的機器人。

哈佛大學發明了全球首個全自動章魚仿生軟體機器人「八爪怪」，軟體機器人領域的科學研究即將進入飛速發展的突破性階段。其實，無論是「軟」還是「硬」，開展此類機器人研究背後都有著來自軍事應用的巨大需求牽引，這些「軟硬兼施」的機器人，也將在未來戰場發揮獨特的作戰效果。

這個

「後空翻」不簡單

現有的機器人「王國」包括固定、輪式、履帶式、雙足及多足等不同「種群」。以雙足和多足為主要特徵的腿足機器人對惡劣地形環境適應能力更強、研製難度更高，代表著機器人研究領域的技術巔峰。長期以來，各軍事大國都對腿足機器人研究展現出強烈興趣。

通過不斷改進升級，美國國防部高級研究計劃局資助的阿特拉斯機器人，站立後身高可達1.75米，重約80千克，可以走路穿越各種地形、攀爬並扛起重物，手部還能完成開門和抓取物體的動作。那麼，此次阿特拉斯進軍「體操界」，為何驚艷世界？後空翻畢竟是個難度極高的動作，常人幾乎無法企及，體操運動員也要訓練多年才能完成。於人不易，於機器人更難。

阿特拉斯本身就是個「膘肥體壯」的大型雙足機器人，除在移動過程中要保持平衡外，還需要用雙腿來平衡體積龐大的上半身。為完成「後空翻」這個看似不可能完成的任務，阿特拉斯從起跳、空翻到平穩著地，整個過程需要手、腳、腰同時運動。它的「大腦」必須通過數學公式預先精確計算、規劃好各個部件運動線路、方向和角度，然後機械地控制起、轉和落地。

萬事開頭難。就起跳而言，阿特拉斯需要提前對整個過程進行精確規劃。更重要的是，阿特拉斯要有強勁有力的「雙腿」。即便是跳起來了，如果力量不夠大，就不能給翻轉留出足夠的時間，更談不上後續的動態調整。阿特拉斯目前已經配備了內置電池驅動，通過有效的電量管理，可在瞬間爆發出驚人的巨大能量。

其實，空中翻轉過程才是真正「見功夫」的地方。阿特拉斯是一個多自由度、多剛體的機器人系統，姿態的精準控制異常複雜，需要機器人體內各類姿態感測器實時回傳姿態參數。通過匯聚來自「身體」各個部位的姿態信息，阿特拉斯的「運動中樞」才能根據演算法進行控制決策，不斷優化各個部位的參數指標。在空中的阿特拉斯處於拋物線運動狀態，必須通過改變姿態在落地前找准「亮相」的最佳姿態。

即便是一路「闖關」即將落地，阿特拉斯要想「平安著陸」也遠沒有想像的那麼簡單。落地過程需要應對衝擊處理和保持平衡。無論是何種接觸面，阿特拉斯在與地面接觸的瞬間都將受到巨大的接觸撞擊。利用液壓伺服控制系統，可以有效減輕瞬間衝擊力。阿特拉斯的腳部也會安裝多維力感測器，對腳的受力狀態進行輔助控制。同時，落地一瞬間阿特拉斯的「關節」位置上移或下移一點，都有可能導致重心不穩而摔倒，因而對精準控制也提出了更高要求。

當然，通過身上搭載的激光雷達和各類感測器，阿特拉斯還擁有了避障和識別物體的能力。人們曾經讓阿特拉斯在一塊2厘米寬的木板上「金雞獨立」，它竟然成功堅持了20多秒。如今，阿特拉斯再次解鎖「新姿勢」，除可實現漂亮的後空翻外，它還變得更加輕便靈巧。即便是後空翻失誤一不小心摔倒了，它也能自己爬起來，堪稱人形機器人領域的「生命奇蹟」。

軟體

機器人也有「七十二變」

未來的某一天，當你在街頭遇到一隻大搖大擺的「章魚」，甚至它還會對你點點頭、揮揮爪，請不要驚慌，這是目前已經研製成功的軟體機器人。不久前，哈佛大學就研製出一款名為「Octobot」的軟體機器人。這款軟體機器人只有手掌大小，自帶運動燃料，可通過調控內部氣體實現自主運動，既不需要連接計算機獲取指令，也不包含任何電子元件，不禁令人嘖嘖稱奇。由於Octobot採用3D列印技術配合柔性材料製造，因而具備了完全柔軟的「身體」。

軟體機器人可不同於一般的鋼鐵「硬漢」，其採用的結構和材料包括硅膠、液晶等彈性物質，具有較高的自由度，不僅可以較好地適應外界環境，更可在外力作用下巧妙變身。軟體機器人理論上具有無限多自由度，可實現靈活彎曲、扭轉，即使遭受到外界撞擊也不會對自身產生大的傷害。基於這一優良血統，軟體機器人可在空間狹小、非結構化環境下完成常人難以匹敵的複雜任務。

「八爪怪」軟體機器人其實相當於一個氣動導管，通過內部的化學反應產生大量氣體聚集壓縮，並利用氣體的壓強變化實現機械運動。以往的軟體機器人在運動上都存在通病，由於供能和控制部分通常需要連接機器人軀體，軟體機器人在移動時背後經常拖著長長的電線，嚴重影響了軟體機器人的自主運動。如今，「八爪怪」軟體機器人通過軀體內部集成的運動器和控制系統自主運動，真正實現了健步如飛乃至飛檐走壁。

與普通機器人相比，軟體機器人可通過內部化學物質實現顏色可變發光，並可通過充氣增壓和通道膨脹實現快速移動。目前研究的軟體機器人可在30秒內迅速變身，一旦完成顏色轉換，顏色層就不再需要動力來維持色彩，移動到特定位置後常常與背景難以區分。同時，一些軟體機器人在設計之初就巧妙參照了仿生模型外觀，利用3D列印工藝製造出來後簡直可以「以假亂真」，肉眼不仔細觀察真的難以分辨。

事實上，軟體機器人的生產並不複雜，製作工藝相對較為簡單。軟體機器人「八爪怪」的「大腦」，是一個可控制八個觸手運動的柔性微流控制晶元。在「八爪怪」出生的「產房」里，可以看到3D印表機、章魚形狀模具和用於3D列印的鉑金屬墨水等特殊材料。生產軟體機器人時，首先將特殊材料倒入章魚模具中覆蓋微流控制晶元，之後通過3D印表機在軟體機器人的身體里列印出可用於傳遞氣體的中空管道。這個管道可實現軟體機器人的身體與「大腦」相連接並實現信息傳遞。再經過一系列特殊的化學反應，一個栩栩如生的章魚軟體機器人就誕生了。

掀起

機器人家族的朵朵浪花

西方世界最早對機器人的探索可追溯到達芬奇時代。早在1495年，達芬奇就在手稿中設計出一個仿人型機器人。如今無論是人形機器人還是軟體機器人，都憑藉著其「一身特長」正掀起機器人家族的朵朵浪花。

從1992年開始，美國國防部高級研究計劃局就投入巨資資助波士頓動力公司開展軍用機器人的研究工作。除一手打造了「網紅」機器人阿特拉斯之外，他們還有一款腿足機器人因酷似「木牛流馬」至今為人津津樂道，那就是大狗機器人。大狗的真名為「步兵班組支援系統」，是由波士頓動力公司與美國國防部高級研究計劃局共同研製的產物。大狗體重109千克，奔跑速度可達6.4千米/小時，最大爬坡度35度。與其說大狗是一隻「機器狗」，還不如說它是一隻「機器騾子」。大狗主要模仿四足動物，在地形複雜的戰場上運送物資，能夠攜帶輜重在崎嶇不平的山路上行走30千米。不過，看起來不錯的大狗被送到阿富汗前線後，使用起來聲音極大，影響隱蔽性，且戰場上難以修理，這才沒有被正式列裝到美軍作戰部隊。

美國研製的大狗機器人，還專門配備了能控制軀體移動並處理感測數據的「智能晶元」，可在不同地形選擇不同的運動和導航方式。美國國防部資助的「獵豹」機器人恐怕是世界上速度最快的機器人，時速可達45千米，採用的就是模仿獵豹的四足運動模式。目前人們還研製出名為「Petman」的機器人，甚至能在跑步機上完成鍛煉，走路下蹲更是不在話下，足可見其強悍的運動能力。另一款腿足機器人RHex則「進化」出6條可旋轉的機械腿，不僅能穿越各種複雜地形，還能在潮濕地區執行任務，即便是摔落山崖也能安然無恙。同時，腿足機器人也具有較好的「容錯性」，即便是一個肢體發生故障，其他肢體依舊能夠保持正常的作業。這也是相比輪式和履帶式機器人的一大優勢。

當然，軟體機器人也是毫不示弱。傳統的剛性機器人具有負重比低、柔性度差等先天缺陷，對環境適應能力也有待提高。相比之下，軟體機器人堪稱機器人家族的集大成者，更加適應未來的機器人智能應用。由美國國防部高級研究計劃局和哈佛大學聯合研製的軟硅膠材料機器人，不僅可通過自身變形穿過狹小的縫隙「無孔不入」，更能牢牢攀附在任何物體表面上，還可通過改變「皮膚色調」與周圍環境融為一體。更令人驚嘆的是，這款軟體機器人可在黑暗處發光並改變自身溫度，而它由於使用模具製造，設計成本只有不到100美元。

無獨有偶，由波蘭研究人員研製成功的軟體機器人，身體由液晶彈性體組成，可通過收縮推動身體進行移動，就如同毛毛蟲爬行一般。這款軟體機器人最大的亮點是可接受外界光的控制，當感受到外界光源變化時，機器人的形狀也會發生相應變化，外界光的刺激更可以促使其身體產生相應的收縮移動。通過對光源進行控制，這款軟體機器人能完成爬陡坡、鑽進極其狹小空間等各種特殊任務。別看軟體機器人個頭小，它可是力大如牛，能輕易推動比自身個頭大10倍的物體，甚至還可以在身體上安裝微型攝像頭和麥克風，可廣泛應用于軍事偵察、應急救援等領域。

現有的軟體機器人大多參照自然界中的章魚、海星等軟體生物進行外觀設置，相似度極高。希臘研究人員利用硅膠樹脂研製出的章魚機器人，放在水中移動時，甚至會有小魚跟在身後遊動。美國研究人員研製的GoQBot軟體機器人具有和毛毛蟲一樣的滾動彈射能力。歐盟資助的「章魚觸手」項目通過研究章魚本體和觸手的全局協同運動和控制機理，開發了可在水下工作的仿生章魚觸手，並形成了一套行之有效的控制方法。

「機

甲戰士」改寫未來戰場

早在阿富汗和伊拉克戰場上，美軍的軍用機器人就已經大展身手。但這些機器人大多是輪式或履帶式，在實際戰場應用中存在諸多限制。傳統輪式機器人越障能力差、地形適應能力不高，且容易出現打滑、不夠平穩等問題。履帶式機器人對地形要求同樣較高，遠沒有人們想像的機器人那麼靈活方便。看似兇猛的機器人「大兵」上了戰場，總有那麼一種「獃頭獃腦」的感覺。

相比之下，腿足機器人能站立、行走和奔跑，代表著未來軍用機器人的重要發展方向。阿特拉斯如今不斷解鎖「新技能」，不僅激發了人們對於機器人的無限遐想，更有望實現美國國防部研製「機器士兵」的夙願。或許不久的將來，軍用機器人就將「跑步」上戰場！

以阿特拉斯為代表的機器人能站立、行走和奔跑，還真有可能把未來戰場搞個「翻江倒海」。這些已經開始執行偵察監視、警戒執勤和精確打擊等作戰任務的軍用機器人，或將上演驚心動魄的機器人大戰。未來戰場情況複雜多變，阿特拉斯等機器人在山地作戰和城市作戰中，更能發揮出其機動靈活的特性，達到更好的作戰效果。美國國防部資助的壁虎機器人，就有六條電動馬達驅動的機械腿，爬樹或翻牆都不在話下，目標直指特種偵察。就連大狗等腿足機器人未來也不僅僅是個「馱夫」，還能裝上武器和裝甲，成為步兵火力支援武器，更好地協同人類作戰。

耗費心血研發阿特拉斯，人們也在為自己找尋一件「鐵甲戰衣」。阿特拉斯的後空翻說明，我們已經對人體運動有了相當了解，是仿生學的一大進步。試想，連阿特拉斯都有了強壯有力的「雙腿」，人類為什麼不能「拿來主義」？美國國防部早就利用同類技術研製可綁在美國士兵腿上的「機器腿」，也被稱作外骨骼增強器。這種「機器腿」能讓美軍單兵背負物資重量大幅提升，還能減輕長期負重的勞累程度，加快行軍速度，將每一名士兵變身為「機器戰士」。

通過對阿特拉斯手腳活動能力的「參悟」，人們還將開發出更加神奇的「機械手」。目前，擁有機械手的人形機器人已經能夠進入危險環境中作業，在處理核事故、爆炸物等領域具有巨大的應用前景。美國國家航空航天局已開始腿足機器人研究，意圖設計製造出擁有靈巧雙手的「機器宇航員」，在外太空實現遠程指揮下的精密操控。

同時，作為學科交叉研究領域一顆冉冉升起的「新星」，軟體機器人在軍事領域同樣可當大任。正是由於自身過於「軟弱」，軟體機器人才得以「以柔克剛」，在受到外界衝擊和破壞時不易損傷，極大增強了其在複雜作戰環境下的生存能力。同時，由於不具備電子元件，軟體機器人在交錯縱橫的電磁偵察系統下較易躲避各類設備追蹤。未來加裝了專業偵察設備甚至是作戰武器的軟體機器人，可承擔各類偵察探測任務，更可在敵人出其不意的條件下開展致命一擊。目前，美國國防部高級研究計劃局正在加速開展多項關於軟體機器人的研究項目，尤其看重軟體機器人可完全適應未來多樣化軍事任務的綜合能力，將實現軍用機器人技術的進一步發展。

在軍事醫學領域，「人小鬼大」的軟體機器人還是當之無愧的醫療助手。軟體機器人的硬度、柔軟度和可拉伸程度與人體皮膚和肌肉較為接近，把它穿在身上或進行互動接觸時親和性較好。因此，軟體機器人可作為假肢、人造外骨骼等可穿戴設備或用於模擬肌肉運動。同時，軟體機器人在手術機器人領域的廣泛應用將可有效避免傳統金屬機器人對人體組織的破壞。美國愛荷華州立大學研究人員發明的一種微型軟管觸手機器人，長度約為8毫米，內部卻攜帶了強有力的動力系統，將在醫療領域得到重點應用。

當然，別看阿特拉斯和軟體機器人們「身懷絕技」，它們的「從軍路」依舊布滿荊棘。目前人形機器人在完成同等任務時的能量消耗超過人類的100倍，軟體機器人也存在攜帶能量嚴重不足的問題。此外，機器人的操控和平衡問題等仍是尚未完全解決的技術難題，依舊有待完善和發展。

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