斷腿也能跑！97小伙研發樂高式機器人，斷臂秒變三腳怪獸繼續狂奔

近日，美國西北大學博士生余琛和所在團隊研發出一種全新的模塊化機器人，由一個個獨立的智能腿模塊組成，每個模塊都自帶電池、芯片、傳感器和電機，單個模塊就能跳躍、翻滾和轉彎。

他告訴 DeepTeh，這些模塊可以像樂高積木一樣自由組合，拼出三條腿、四條腿甚至五條“腿”的機器人，而且它們能在草地、沙地、碎石路等復雜戶外環境里敏捷奔跑，還能在翻倒之后自己翻身，甚至能在被砍掉多條腿的情況下繼續前進。

研究團隊所打造的通用策略面對從未見過的損傷場景，比如隨機切掉一條腿或者隨機切掉兩條后退，甚至只剩下一個孤零零的模塊，都能迅速適應并繼續移動。

在物理機器人上，這個通用策略在未受損時的移動速度達到了原專家策略的 105.3%。在各種被截肢的情況下，它的表現也遠優于原測量。

在災難救援中，這些機器人可以深入廢墟，即使部分肢體被砸斷或被卡住，剩下的模塊也能重組策略繼續前進。

在太空探索中，模塊可以被打包發射，到了火星再組合成為各種形態的機器人，以便能夠執行不同的任務。

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

軍事偵察中，機器人的容錯性意味著更高的生存率。

它也為研究生物運動提供了新工具，人們可以使用這些模塊快速搭建各種形態的機器人，觀察不同身體結構對于運動能力的影響，反過來用于理解動物形態的演化邏輯。

圖 | 余琛（來源：受訪者）

事實上，這款機器人的每個模塊的尺寸并不算小，完全伸展時有 62 厘米長。它的核心是一個球形關節，里面集成了電池、定制的電路板、傳感器和一個高扭矩電機。兩條對稱的腿連接在關節上，可以 360 度旋轉。

模塊的外表面分布著 18 個蜂窩狀的接口，兩個模塊之間可以使用螺絲和螺母在 435 種不同的位點上牢固連接。三個模塊的組合方式就能達到數十萬種，五個模塊的組合方式更是達到數千億種。

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

僅僅是單個模塊的運動能力就讓人眼前一亮。當電機驅動關節旋轉的時候，模塊可以通過動態完全雙腿實現滾動前進，速度達到每秒 0.46 米，功耗只有 0.38 瓦。

它還能原地轉彎，速度是每秒 55 度。更驚艷的是，它能夠跳起 37 厘米高，這相當于自身腿長的 1.54 倍，而且從靜止到起跳，整個過程干脆利落。

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

研究團隊使用變分自編碼器將數千億種可能的身體構型壓縮到一個 8 維的潛在設計空間里。然后，他們使用異步貝葉斯優化在這個空間里進行搜索，同時使用深度強化學習為每個候選設計從頭訓練控制策略。

經過評估之后，他們選出了性能排名前幾的設計方案，其中包括一個三模塊構型、一個四模塊構型和一個五模塊構型。另外，他們還手工設計了一個五模塊的四足構型，其中一個模塊充當了可以活動的脊柱。

無論是在仿真環境還是在現實環境，這些構型都展現出了獨特的運動風格。三模塊構型的步態像海豹一樣笨拙可愛，依靠前后擺動身體來移動。四模塊構型采用了一種三足步態，單條前腿和兩條后腿交替著地。五模塊構型使用多條腿組合成為更復雜的肢體來推動身體。

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

手工設計的四足構型則模仿了蜥蜴，其脊柱左右擺動，以此來帶動四肢爬行。所有構型都學會了兩個新技能：一是在空中跳躍并旋轉身體，二是在翻倒后迅速翻身恢復姿態。這些行為完全依賴模塊內部的感知，比如關節角度和慣性測量，沒有使用外部動作捕捉數據。

模塊化設計帶來了較好的容錯性。傳統的四足機器人如果斷了一條腿，基本就廢了。但是，這些模塊化機器人不一樣，它上面的每個模塊都是一個完整的智能體。研究團隊訓練了一個對截肢無感的統一控制策略。

這個策略通過模仿多個專家策略產生的數據來學習，其中每個專家策略對應一種特定的損傷模式，比如斷一條腿、斷兩條腿，或者只剩下單個模塊，這樣一來無論出現何種截肢情況，機器人都能快速適應新的身體結構并繼續前行。

據了解，余琛本科畢業于電子科技大學，碩士畢業于上海科技大學，目前在美國西北大學讀博。在做這個項目之前，他主要研究四足機器人的運動控制，還曾在小米實習參加過該公司機器狗的控制開發。

這段經歷讓他意識到，傳統的四足機器人雖然跑得快，但是身體結構是固定的，一旦某個關節或電機壞掉，整個機器就廢了。模塊化機器人雖然可以自由組合，但此前的模塊化機器人都跑得很慢，基本只存在于論文里，沒法走出實驗室。

余琛的想法就是把這兩個領域的優勢結合起來，使用四足機器人成熟的運動控制技術來驅動模塊化機器人，讓它既敏捷又耐用。

而本次研究最大的困難在于一切都是從頭搭建的。大多數實驗室會直接購買現成的硬件，但是他們的模塊從電機到電路板都是自己設計的，在美國訂購中國的電機需要等兩周，定制 PCB 需要等更久。仿真機和真機之間的差距也得一點一點手動調試，這些工程上的坑花了他大量時間。但最終研究順利完成，相關論文發表于《美國國家科學院院刊》。

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

目前，這些模塊還需要手動組裝。不過，它已經證明了這樣一件事，那就是敏捷運動和模塊化重構是可以兼得的。當一個機器人由許多擁有自主能力的小機器人組成時，它就擁有了前所未有的韌性。

參考資料：

相關論文 https://doi.org/10.1073/pnas.2519129123

運營/排版：何晨龍