恐龍漫步

在電動伺服電機發出高音嘶嘶聲中，Troody慢慢向前傾斜。她四肢中的14個微型電機開始嗡嗡作響，她的小腿從腳上抬起。她伸展雙腿，站成直立姿勢。她仍然有點搖晃，向前邁出了試探性的第一步，然後又一步，然後她就開始行走了。

這一幕發生在去年春天，當時Troody——一個重10磅、雙足行走的恐爪龍機器人複製品——在彼得·迪爾沃思的實驗室裡首次漫步。當科學家們還在爭論是否有可能克隆出像《侏羅紀公園》那樣的恐龍時，迪爾沃思——麻省理工學院腿部實驗室（M.I.T.人工智慧實驗室的一部分）的研究科學家——自己製造了一個。他選擇以恐爪龍為模型，因為它體型小、大腦大：“它的大腦大小與體重之比使它成為恐龍中最聰明的，”迪爾沃思說，“所以我認為這很有趣。”

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他的目標很明確：“機器人要從坐姿站起來，走路，可能的話還要跑步，再回到走路，然後停下來坐下並保持穩定，並且在任何階段都不會摔倒，”迪爾沃思解釋道。但正如他發現的那樣，讓機器人行走比看起來要困難得多。“製造雙足機器人已被證明非常困難，”與迪爾沃思合作該專案的獨立恐龍古生物學家格雷戈裡·保羅說。“人們認為飛行很難，而行走很容易；實際上正好相反。”

然而，只要看一眼Troody流暢的動作，就可以清楚地看到研究人員已經成功了。“很多人評論說它[Troody]看起來非常生物化，”迪爾沃思說。“這是我努力追求的一件事，這是我們在機器人中使用控制系統的方式的結果，該技術使用與電機串聯的彈簧，從而軟化了機器人的感覺。”事實上，像腿部實驗室的所有其他機器人一樣，Troody恐爪龍使用了所謂的電動串聯彈性執行器，這些裝置由實驗室主任吉爾·普拉特和曾是研究生的馬修·威廉姆森發明。

在開發出這些電動串聯彈性執行器之前，研究人員依靠液壓執行器來製造步行機器人（請參閱側邊欄）。相比之下，電動執行器更輕，所需的功率也少得多，從而可以設計出更獨立的機器。但是，它們也有其缺點——包括低扭矩，因此需要非常快速地執行才能提供高功率。反過來，這又需要齒輪來使機器人緩慢移動。但是，齒輪會降低機器人對物理衝擊的耐受性——對於應該行走的機器來說，這不是一件好事。

普拉特的團隊透過在機器人的每個關節和各自的齒輪之間新增一個彈簧來解決這個問題，從而緩衝了衝擊。彈簧也成為機器人控制系統的重要組成部分。傳統上，大多數機器人的控制系統只確定其手臂或腿部相對於其環境的位置。“如果你唯一能測量的是手臂的位置，你就無法真正知道你是否撞到了牆，”迪爾沃思解釋說。“如果你的位置稍微偏離了一點，你可能會在牆壁前一點點停下來，或者更糟糕的是，你可能會在牆壁內一點點停下來，並且你的執行器會承受巨大的扭矩，試圖將手臂定位在牆壁內。”

在彈簧執行器設計中，感測器測量作用在彈簧上的力。“你拿起你的手臂，你會命令它朝牆壁的方向施加一個力，”迪爾沃思繼續說道。“因此，如果手臂懸浮在空中，它會朝牆壁移動，因為它正在朝那個方向推。一旦它撞到牆壁，它會載入，直到它施加你告訴它的所需力，並以該力靠在牆壁上。如果你抓住手臂，向後拉然後放開，它會再次砰的一聲靠在牆壁上，這類似於人或動物會做的事情。因此，這表明力控制是一種非常好的生物啟發式機器人方法。”

但是，僅靠力控制不足以使機器人站立。“有一個陀螺儀可以給你俯仰和滾動以及線速度和加速度，”迪爾沃思補充說。“這可以告訴你哪個方向是朝上的。當然，機器人是運動學的，所以它知道所有的關節角度。它知道所有的質量，所以它知道它的質心在哪裡，並且機器人可以計算各種型別的平衡策略。”為了改善雙足行走，迪爾沃思甚至設計了一個額外的裝置，他稱之為PQ控制系統：“這是一個控制系統，它會檢視機器人運動學的狀態，並從中找出它應該用腳施加力的位置，以在行走時保持穩定。”

儘管這些控制系統非常先進，但迪爾沃思很快澄清說，Troody沒有內建智慧。“機器人實際上是一輛遙控車，”他說。“有一個操縱桿，你可以說前進、右和左。腿實際上等同於汽車上的輪子——只是一種四處旅行和前進的方式。她是盲走的。如果她的腳趾碰到東西，以至於她無法將腿向前移動，那麼她可能會翻倒。如果地面只是更高一些，那麼控制系統就足夠強大來應對這種情況，但這並不是高水平的智慧。”

在迪爾沃思最終讓Troody站起來行走之前，他花了四年的時間嘗試不同的設計。現在，他希望博物館、主題公園和其他機構可能想要展示這樣的恐龍機器人，為此，他正在製造一個更大版本的Troody，它將帶有羽毛和其他逼真的細節。“由於恐龍已經滅絕，不再是你可以看到的東西，我認為這可能是一個機會，嘗試以一種以前沒有做過的方式來呈現恐龍，”迪爾沃思說。“如果你有一個機器人恐龍四處走動，你可能會以一種獨特的方式對它們的外觀產生新的感覺。”

Dinodiscovery公司的創始人丹·斯通——該公司將恐龍展覽帶到學校——也確實這樣認為。“許多孩子沒有機會去博物館，所以我們可以將展覽帶給他們，”斯通說。“我們有一個教育計劃，可以加強孩子們在學校所學的課程，這只是有助於激發對科學領域的更多興趣的事情。”至於Troody，他說：“孩子們會喜歡它的。這種運動對他們來說將非常具有教育意義和令人興奮。”

除了出現在展覽中之外，腿式機器人仍然相當原始，因此目前沒有很多實際用途。“我試圖想出一種方法，我可以研究腿式機器人，並且實際上具有某種商業潛力，而無需考慮未來幾十年，”迪爾沃思說。“至於機器人恐龍，實際上它所要做的就是緩慢地從平坦地面上的A點走到B點，人們會非常滿意這一點。”到目前為止，對Troody的反應非常積極。“人們對機器人的各個方面和恐龍的各個方面都非常感興趣，”迪爾沃思指出，“因此兩者的結合是一種成功的組合。”