福祉科普仿人机器人的前世今生腿足篇
小时候，人形机器人出现在我们的动画片中，热血沸腾的机甲战士，英勇无畏的变形金刚，一同造就了多少人的童年回忆。随着科技的发展和技术的积累，人类正在将科幻中的机器人变成现实，打造这种同样用双脚走路，具有肢体语言、表情和情感的生命体，用来帮助人们完成那些难以完成的事情。
相比于其他生物，人体具有很多独特的性质，这些性质使得人具有了强大的生存能力和改造自然的能力。双足既提供了高效的移动方式，也解放了双手，使我们可以用双手去执行更加复杂的功能。同时，由此衍生出的高度智能使人具有了更强的环境适应能力，学会了更复杂的交流方式、产生了文明，而人面部的表情是一种超越了语言的交流方式，可以传递更多的信息，要想仿人以假乱真，活灵活现的表情是不可或缺的。
图：是什么成就了人图片原创
毫无疑问，仿人机器人正在一步步走进我们的生活。那么，你是否真的了解腿足移动方式的真相？我们又应该看待这些行走的机器？本期文章中，我们将围绕腿足移动方式，探讨这些问题。
为什么是腿足？
现实生活中，人们的出行方式多为各种轮式系统，出远门开汽车，上下班骑自行车，就连出门散心都有可能用平衡车。那么轮式系统为什么就比腿足移动方式优秀这么多呢？我们可能首先要从人体步行的能量走向考虑这个问题。
图：人体步行能量走向图片原创我们可以看到，对于步行而言，很多能量都耗费在了腿的移动和重心的波动上，这些能量对于人体的水平移动都是无用的。相对应的，自行车，将人用于承担人体重量的能量大部分节省了，大部分能量用于克服了空气阻力和轮变形消耗的能量。
也许你会问，既然轮式系统这么优秀，为么生物没能进化出轮子呢？根据有关研究的分析[2]，这种现象主要可以从两个方面解释：首先，轮子的进化在发展和进化的方面有很多无法逾越的障碍，这帮我们解决了为什么生物无法进化出轮子？的问题；另一方面，相比于其他推进方式，轮子在自然环境中的使用存在着劣势，这帮我们解决了即便能进化出轮子，为什么会在自然选择中被淘汰掉？的问题。
我们从自然界可以认识到，虽然没有办法进化出体内连续旋转的回转运动副，但是生物们也能将滚动运用的淋漓尽致，穿山甲、、刺猬等，都通过塑造球形的外形进行快速省力的滚动，实现高效逃跑和防身，让捕食者望而退却。
图：防御态势的穿山甲和犰狳化石而完全自由旋转的回转运动副只出在了某些双壳类生物的消化器官、ATP合成酶驱动的细菌鞭毛旋转，前者用于消化而非推进，后者完全是微观层面的。
图：双壳类生物的旋转消化（左）和细菌归根结底，没有我们期望看到的用于驱动的宏观生物轮式结构。接下来就来讨论宏观生物进化出轮式移动结构的局限性。
发育和解剖学限制
轮式多细胞生物的最大障碍是静态轮毂和旋转组件之间界面，在连续回转过程中，车轮必须能够相对于机体完全自由旋转。这样一来，骨骼肌无法附着在轮子上赋予两个部分之间的相对运动力，轮子和机体之间也完全只能是完全分离的两个部分，对于生物而言，几乎无法产生这样一种具有足够刚性承载巨大径向力、且界面足够光滑、能实现养料供给的轮-毂配合方式，生物可以提供足够的强度和修复力，但在提供精度方面，往往是无能为力的。一旦无法达到合适的圆度和同心度，轮式运动的效率也会大大下降。虽然轮式结构在我们生活中随处可见，但其自然生成条件的苛刻程度，也许是远超我们想象的。
效率低下
这个论点似乎与我们之前得出的轮式系统更省力的结论相矛盾，这是因为两者所处的环境不同。在人类生活的环境，多为硬质路面，轮式系统在其上滚动的滚动阻力微乎其微，但是在多为松软土壤的自然界，轮子往往因较为集中接触面积而陷入地面，滚动中会将松软的土壤压实，从而导致巨大的能量损失，这也是为什么在草地上骑自行车要费力的多的原因。同时，较小的抓地力导致的摩擦也使得会产生打滑、无法快速加速等问题，在速度决定一切的自然界，这种短期内无法产生爆发速度的移动方式，无疑是致命的。
图：硬轮在柔软地面上的滚动，阻力大大增加图片来源：[2]
反观腿足系统，在野外自然环境的通过性和复杂地形的效率方面都是十分杰出的，四足生物可以产生巨大的加速度和速度。相比之下，平地硬质路面的能量效率的微小劣势也变得十分不明显。
由此可见，生物进化出轮子在生物的限制方面和进化竞争劣势方面的理论都证明了为什么是腿足的问题。然而，人类的伟大之处就在于，丰富的想象力能够创建前所未有事物，轮式生物曾一度出现在人们的想象中。
图：恶魔布尔，摘自年版的《地狱词典》
同样，人们也在努力探索适用于野外复杂路面和特定人类环境（如楼梯，门槛等）的移动机械，虽然有诸如履带的移动方式，但腿足的优势地位当仁不让。这也驱使着人们在研制腿足机器人的道路上不懈努力着。
图：CHIMP机器人图片来源：[4]
CHIMP是美国卡耐基梅隆大学（CMU）设计的一款高智能移动（highlyintelligentmobileplatform）仿人机器人，因其移动状态时四肢都在地面上，与具有长手臂的大猩猩相似，实际上也是受到了大猩猩的启发，所以取名为CHIMP。它将腿足和履带方案结合了起来，使其更加适应于人类环境。
图：DRC-HUBO
DRC-HUBO是韩国科学技术院为DARPA机器人挑战赛研发的人形机器人，在年的DRC中获第一名。同样的，它将腿足和轮式结合了起来，达到了非常好的效果，
图：人马式轮腿混合机器人图片来源：[6]
同样的，还有很多如上图所示的轮腿混合机器人排布方案，如德国波恩大学的Momaro和意大利技术研究院（IIT）的Centauro.
最后，不得不说到腿足机器人界的标杆，美国波士顿动力公司的产品，ATLAS仿人机器人，这是世界上最先进的仿人机器人，其运动性能已经达到了和人体媲美的程度，但因其能效、智能化的不足和成本的高昂，仍未得到实质性的实用化，但它的出现无疑意味着仿人机器人不是不可能，未来仿人机器人将以什么样的姿态出现在人类视野中，我们拭目以待。
图：ATLAS机器人表演体操图片来源：BOSTONDYNAMICS
这，就是大自然的魅力,这，就是人类的伟大！
[1]科技新知
[2]Rotatinglo
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