上图这（zhè）个机器（qì）人可不简单，它是世（shì）界纪录（lù）的保持者，目（mù）前最新的纪录是连续步行27小时，总长（zhǎng）72公（gōng）里（相当于十万步（bù）还要多）。而最最关键的（de）是，它完全（quán）凭借自己完美的机械（xiè）结构，没（méi）有任何动力源。对（duì）！没有电机、没有（yǒu）电源，给它一个初始动（dòng）力就在那干走27个小时。它的发明者是日本名古（gǔ）屋工业大（dà）学佐野明人（rén）教授。

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这（zhè）是（shì）证书

这很不（bú）可思议，然而这（zhè）件不可思议的事（shì）情背后肯（kěn）定有（yǒu）支撑（chēng）它的理论。它依赖的是仿生学和（hé）生物动力学，而在（zài）现有250多个灵长类物种中，只有（yǒu）一个（gè）物（wù）种是用（yòng）两条腿（tuǐ）走来走去的——那就是（shì）我们人类。至（zhì）少90%的人会认（rèn）为，我们行走靠的是肌肉，然（rán）而科学研究却证明不仅仅是这样。就像开头的机器人它基于的“被动行走”理论（lùn）阐（chǎn）述的是人双足行走不仅仅（jǐn）需（xū）要肌肉的主动拉伸，同时更需要大自（zì）然的重力去配合着完成。

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忽略旁（páng）边（biān）抢镜的日（rì）本老头，是不是很像人类偷懒时的行走（zǒu）方式？

什么是（shì）被（bèi）动行走（zǒu）理论？我们先来揭秘一（yī）下自己的双腿

关于人类祖先为什么要放弃四肢着地，而选择直立（lì）行走的理（lǐ）论（lùn）可谓是五花八门，至今也没有定论。有人说（shuō）是（shì）为（wéi）了解放双手（shǒu）进行劳（láo）作，有人（rén）说是为了摘到以前够不到的果子，甚至有人（rén）说是为（wéi）了在微风中更好的散热。似乎（hū）都有些（xiē）道理，但有一（yī）种解释——可以节约能源，是（shì）有科（kē）学（xué）依据的。三位美国科学家（加（jiā）州大学戴维斯分校的迈克尔（ěr）·索（suǒ）科尔、亚利桑那大学的（de）戴维（wéi）·赖希（xī）伦（lún）和（hé）华盛顿大（dà）学的赫尔（ěr）曼·庞泽尔），对比黑猩猩与（yǔ）人类行走所（suǒ）消耗（hào）的（de）能量做了一个实验，并将结果发表在（zài）了美国（guó）《国（guó）家（jiā）科学（xué）院学报》上：人类之所以最终进化成为两条腿走路的动物，主要是因为这种行走方式（shì）最为节省能量。

通过对5只（zhī）黑猩猩和4个成年人在跑（pǎo）步机上运动时耗氧量的（de）比较，他们发现，人类直立行走（zǒu）所（suǒ）需要（yào）的（de）能量是黑（hēi）猩（xīng）猩四肢行走（zǒu）耗能的（de）四分（fèn）之一。科学家说，这些定量的数据（jù）说明直立（lì）行（háng）走比四肢行走更节省能量。有（yǒu）趣的是，科学家还发现，同一群体的不（bú）同个体之间也存在很大差异，起初黑猩猩（xīng）两腿（tuǐ）直立（lì）行走和四肢着地行（háng）走时所耗费的（de）能量几乎没有差别，但是，长期进行直立行走训练的黑猩猩，会（huì）比短期训练的黑（hēi）猩猩更节省能量。所以，直立行走需要（yào）技巧（qiǎo），人（rén）也是一样，有些人看似走着，但他并不会“走路”！

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索科尔说（shuō），“人类学会直立行（háng）走时东非地区的（de）降水越来越少（shǎo），原本茂盛（shèng）得密不透风的森林变（biàn）得越来越稀疏空旷，食物（wù）来源（yuán）也变得越来越分散。我们的祖先不得不走更（gèng）远的路来获取足够的食物（wù）。假如用两条腿走远路能省点力（lì）气，那（nà）么，谁（shuí）长（zhǎng）途跋涉更（gèng）不费劲，谁就占便（biàn）宜。”“如果四处（chù）采集食（shí）物时能节（jiē）省（shěng）些能量，那份能量就可以用（yòng）来发育和繁殖。”赖希伦说（shuō）：“人类的（de）祖（zǔ）先一旦发现了直立行走的（de）好处（chù），他（tā）们（men）便会慢慢适应这（zhè）种新的（de）行走方式，这就是自然选择的作用。”达尔文（wén）的“物（wù）竞天择，适（shì）者（zhě）生存”放之四（sì）海（hǎi）而皆（jiē）准。

我们的祖先经过许多世代更迭、漫长岁月洗礼而（ér）形成（chéng）的这些改变，看来的确没有白费功夫，事实证明相当实用。哈（hā）佛大学人（rén）类（lèi）学系的丹·利伯曼通（tōng）过（guò）实（shí）验（yàn）发现，直立行走可以说是有关（guān）平衡、协调、效（xiào）率的壮举。他（tā）发现，在行走过（guò）程中，双腿的作用就像（xiàng）颠倒的摆（bǎi）钟——以一条支撑腿为支点（diǎn），身体（tǐ）在其上做弧线摆（bǎi）动。这使得身体（tǐ）每迈（mài）出一步（bù）所（suǒ）消耗的大部分能量得以储存，减少了一半以上（shàng）的（de）能量（liàng）消（xiāo）耗。

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我们小时候认为最神奇的玩（wán）具之一（yī）

被（bèi）动动力（lì）学（xué）理论创（chuàng）立与成熟

生物学（xué）家发（fā）现人类（lèi）直立行走的（de）大奥秘，动力学家们就闲不住了。1990年，加拿人学者（zhě）T.McGeer提出了（le）被（bèi）动动力学理论，并由此有了“机器（qì）人（rén）被动行走（zǒu）”的概念。用完（wán）全的（de）被动动（dòng）力学法（fǎ），机器（qì）人的（de）所有关节无须驱动（dòng），只依靠机器（qì）人（rén）和环境（jìng）二者之间交互的动力学（xué）特性就可以实现自发步行，所（suǒ）以称作被动步行。因为没有能（néng）量（liàng）输入，为了克服摩擦和脚触地时的能（néng）量损（sǔn）失，通常在斜坡上下行时（shí）实现自发（fā）步行，此时重力（lì）补偿了能量损（sǔn）失。这种自发的稳定步态（tài）完全是由机器人（rén）的机械结构决定的。下面（miàn）是（shì）一个简单的（de）原理图。

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基于（yú）自己的（de）理论，T.McGeer先后构建（jiàn）了2D无关节的纯被动机器人和有膝（xī）关节的双足被机（jī）器人。自T.McGeer开创性工作之后，美国（guó）、欧洲和日本的（de）大学就都开始在被动（dòng）步态领域（yù）展开的（de）深入的（de）研究。其中比较出名的是康纳尔大（dà）学的、麻省理工学院、荷兰代尔（ěr）夫特理工大（dà）学和前面提到的日本（běn）名古屋工业大学。一时（shí）间完全被动（dòng）的和有（yǒu）驱动的（de）不行机器人风靡全球（qiú）的科研（yán）院所。

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本（běn）文开篇提（tí）到（dào）的（de）那个超牛掰的机器人佐野明人教授花了十几（jǐ）年（nián）时间于2009年研制（zhì）成功的。而这种（zhǒng）机器人（rén）有一个弊端，在没有动力源的（de）情况下，要求机器人（rén）行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器人是不现实的。所以科学家的（de）目（mù）的不在（zài）于此（cǐ），他们的目的（de）是（shì）什么？清华（huá）大学重点实验室的教（jiāo）授在论文中这样说（shuō）：在（zài）充分（fèn）分析机器（qì）人被动（dòng）行走原型系统的基础（chǔ）上逐步加大（dà）机器人结构的复杂度，研究引入驱动的半被（bèi）动步行机器（qì）人。最终利用所得的结论指导机器人的设计和控制（zhì），从而实现稳定、鲁棒、高效（xiào）的仿人双足机器人。

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所以，在此基（jī）础（chǔ）上波士（shì）顿（dùn）动力研发出了上图这（zhè）款叫ATRIAS的（de）机器人。它在两（liǎng）条腿上（shàng）面的盒子中（zhōng）加上了（le）驱动，而腿部（bù）放（fàng）置了弹簧（用（yòng）以储能），在行（háng）走（zǒu）的（de）过程（chéng）中腿以以一种被（bèi）动摆动的形式交互（hù）运作。ATRIAS引入了弹簧-质点模型（身体的（de）质量（liàng）以（yǐ）一（yī）个（gè）单点的形式（shì）附着在一条（tiáo）“无质量”的弹（dàn）簧腿上（shàng））。腿上的弹簧可以在每只脚落地时储存部分能（néng）量，并把它转变成推动机器人下一步的力量，正如动物腿上（shàng）的弹性（xìng）关节。

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与大多数机器人采取（qǔ）的静态稳定性的方法不同，ATRIAS以动（dòng）态稳定的方式行走，这与人类（lèi）的行走方式（shì）相同：在（zài）每次迈步的过程中于倾倒之前获（huò）得（dé）平衡。这样（yàng），当被动摆动（没有（yǒu）电机）的双腿与强大的髋关节电机相连（lián）时，弹（dàn）簧－质点模（mó）型（xíng）就能（néng）产生一（yī）种极为高效（xiào）的步态，受到扰动时（shí）能够神奇般地自动复（fù）原。

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在ATRIAS基础上，今年2月份Agility Robotics公司（ATRIAS研发团队中的某些人）又推出了（le）上面这款机器人Cassie。看图片也知道，相比于人类来说，它更像是一只鸵（tuó）鸟的两（liǎng）条腿。但无论如何，图片中的Cassie才三（sān）个月（yuè）大（dà），关于Cassie的详（xiáng）细介绍，可以查看我们之前的文章：深度解（jiě）析|鸵鸟（niǎo）机器人Cassie，如何进（jìn）化成机器人（rén）通用型平台？最最重要的（de），Cassie不再仅仅是用作实验室的研究，它可以（yǐ）走出去用于灾（zāi）害救援，也可（kě）以用于货物运输。

最后说一（yī）个小插曲，ATRIAS的全（quán）称是“assume the robot is a sphere”，意为“假（jiǎ）定机器人是一（yī）个（gè）球（qiú）体”——这是物理学圈内的一个经典笑话，基本意思（sī）是“简单的才是最好的”。感觉有种站（zhàn）在高地（dì）嘲笑那些苦心钻研各（gè）种算法的科研人员的意思。不过我很赞（zàn）同他（tā）们的（de）观点，正应了中国的一句成语——大繁若（ruò）简（jiǎn）。

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机（jī）器人，就（jiù）是（shì）夹杂着各种科学的奇思妙想