上图这个机器人（rén）可不简（jiǎn）单，它（tā）是世界纪（jì）录的（de）保（bǎo）持（chí）者，目前最新的纪录是连续步行27小时，总长（zhǎng）72公里（相当于十万步还要多）。而最（zuì）最关键的是，它完全凭借自己（jǐ）完美的机械结构，没有任何动力源（yuán）。对！没有电机、没有（yǒu）电源，给它一（yī）个初（chū）始（shǐ）动（dòng）力（lì）就在那干走（zǒu）27个（gè）小时。它的发明者是日本名古屋工业大学（xué）佐野明（míng）人教授（shòu）。

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这（zhè）是证书

这（zhè）很不可思议，然而这件不（bú）可（kě）思议的事情背后肯定有支撑（chēng）它的理论。它依（yī）赖的（de）是仿（fǎng）生学和生物动（dòng）力学，而在现有250多（duō）个灵长类物种中，只有一个物种是用两条腿走来走去的——那就是我们人类。至少90%的人会（huì）认为，我们行走靠的是（shì）肌肉，然而科学研（yán）究（jiū）却证明不仅（jǐn）仅是（shì）这样（yàng）。就像开头的（de）机（jī）器（qì）人（rén）它基于的“被动行走（zǒu）”理论阐述（shù）的是（shì）人双足行走不仅（jǐn）仅需要肌肉的（de）主动拉伸，同（tóng）时更（gèng）需要大（dà）自然的重力去配合着完成。

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忽略旁（páng）边（biān）抢（qiǎng）镜的日本老头，是不是很像（xiàng）人类偷懒时的行（háng）走方（fāng）式？

什么是被动（dòng）行走理论？我们（men）先来揭（jiē）秘一下自己的双腿

关（guān）于人类祖先为什（shí）么要放弃四肢着（zhe）地，而选择直立行走的理论可谓是五花八门，至今也（yě）没有定论。有人说是为了解（jiě）放双手进行劳作，有（yǒu）人说是（shì）为了摘（zhāi）到以前够不到的果（guǒ）子，甚至有人（rén）说是为了在（zài）微风中（zhōng）更好的散热（rè）。似乎都有些（xiē）道理，但有一种解释（shì）——可（kě）以（yǐ）节约能源（yuán），是（shì）有科学依（yī）据的。三位美（měi）国科学家（jiā）（加州大学戴（dài）维斯分校的迈克尔·索（suǒ）科尔、亚（yà）利桑那（nà）大学的戴维·赖希伦和（hé）华盛顿大学的赫尔曼（màn）·庞（páng）泽尔），对比黑猩猩与人类行走所消耗的能量做了一个实（shí）验，并（bìng）将结果发表在了美（měi）国《国家科（kē）学院学报》上：人类（lèi）之所以（yǐ）最（zuì）终进化（huà）成（chéng）为两条腿走路的动物，主要是因为这（zhè）种行（háng）走（zǒu）方式最为节省能量。

通过对（duì）5只黑猩猩和（hé）4个成年（nián）人在跑步（bù）机（jī）上运动时耗氧量的比较，他们（men）发现，人（rén）类直立行走所需要的能量是黑猩猩四肢行走耗（hào）能的四分之（zhī）一（yī）。科学家说，这些定量的数据说明直（zhí）立行走比四肢行走更节省能量。有趣的是，科学家还发现，同一群（qún）体的不同个体之间也存（cún）在很大差异，起初黑猩猩两腿直立行（háng）走和四肢着地行走时所耗费（fèi）的能量几乎（hū）没有差（chà）别，但是，长期进行直立行走训练（liàn）的（de）黑（hēi）猩猩，会比（bǐ）短期（qī）训练的黑（hēi）猩猩（xīng）更节省能量（liàng）。所以，直立行走需要技巧，人也（yě）是一样，有些人看似（sì）走着，但他并不会“走路”！

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索科尔说，“人类学（xué）会直立行走时（shí）东非地区的降水越来越少，原本茂盛得密（mì）不透风的森（sēn）林（lín）变得（dé）越来越稀疏空旷，食（shí）物来源也变得（dé）越来越分（fèn）散。我们的祖先不（bú）得不走更远的路来获取足够的食物。假如用两条腿（tuǐ）走远（yuǎn）路能（néng）省（shěng）点力气，那么（me），谁（shuí）长途跋涉（shè）更（gèng）不（bú）费劲（jìn），谁就占便宜。”“如果四处采集（jí）食物时能节省些能量，那份能量就可以用来（lái）发育和繁殖（zhí）。”赖希伦说：“人类的祖先一旦（dàn）发现了直立行走的好（hǎo）处（chù），他们便会慢慢适应（yīng）这种（zhǒng）新（xīn）的（de）行走方式，这就是自然选择的（de）作用。”达尔文的“物竞（jìng）天择，适者生存”放（fàng）之（zhī）四海而皆（jiē）准。

我们的（de）祖先经过许多世代更（gèng）迭、漫长岁月洗礼而形（xíng）成（chéng）的（de）这些改变，看来的确没（méi）有白费（fèi）功夫，事实（shí）证明相当实用。哈佛大（dà）学（xué）人类学系的丹·利伯曼通（tōng）过实验发现，直立行（háng）走可以说是有关平衡、协调、效率的壮（zhuàng）举。他（tā）发现，在行走过程中，双腿的作用就像颠倒（dǎo）的摆（bǎi）钟（zhōng）——以一条支撑腿（tuǐ）为支点，身体（tǐ）在其上做弧线摆（bǎi）动（dòng）。这使得身体每迈出一（yī）步所消（xiāo）耗的大部分能量（liàng）得以储（chǔ）存，减少了一半以上的能量消耗（hào）。

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我（wǒ）们小时候认（rèn）为最神奇的玩（wán）具之一

被（bèi）动动力学理（lǐ）论创立与成（chéng）熟

生物（wù）学家发现人（rén）类直立行走的大（dà）奥秘，动力学家们就闲不住了（le）。1990年，加拿人学（xué）者T.McGeer提（tí）出了（le）被动动力（lì）学理论，并由此有了“机（jī）器人被动（dòng）行走（zǒu）”的概念。用完全的被动动（dòng）力学法，机器人的所有关节无须驱动，只依靠机器人和环境二者（zhě）之间（jiān）交互的（de）动力学特性就可（kě）以（yǐ）实现自发步行，所以称作被动（dòng）步（bù）行。因为没（méi）有能（néng）量输入，为了（le）克服（fú）摩擦和（hé）脚（jiǎo）触地时（shí）的能量损失（shī），通常在斜坡上下行时（shí）实现自发步（bù）行（háng），此（cǐ）时重力补（bǔ）偿了能量（liàng）损失。这种自发的稳定步态完（wán）全是由机器人的机械结构（gòu）决定的。下面（miàn）是（shì）一个（gè）简单的原（yuán）理图。

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基（jī）于自己的理论，T.McGeer先后构（gòu）建（jiàn）了（le）2D无关节的纯被动机器（qì）人和有膝关节的（de）双足被机器人。自T.McGeer开创性工作之后，美（měi）国（guó）、欧洲和（hé）日本的大（dà）学就都（dōu）开始在被动步态领域展开的深入（rù）的研究。其中（zhōng）比较出（chū）名的是康纳尔大（dà）学的、麻省理工学院、荷（hé）兰代尔夫特理工（gōng）大学和前面提到的日本名古屋工业大学。一时间（jiān）完全被动的和有驱（qū）动的不（bú）行机（jī）器人风靡全球的科研院（yuàn）所。

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本文开篇提到的那个超牛掰的机器人佐野（yě）明人教授花了十（shí）几年时间于（yú）2009年（nián）研制（zhì）成（chéng）功的。而这（zhè）种机器（qì）人有一个弊端，在（zài）没有动力源的情况下，要（yào）求机器人行走（zǒu）的路（lù）面必须是（shì）一（yī）个斜坡，显然这对于（yú）能（néng）应用于我（wǒ）们生（shēng）活中的（de）机器人是不现实的。所以科学（xué）家的（de）目的不（bú）在于此，他们（men）的目的是什么？清华大学重点实验室（shì）的教授在论文中这样说：在充分分析机器人被动（dòng）行走原型（xíng）系统（tǒng）的基础上逐步加大机器人结构（gòu）的复杂度（dù），研究引入驱动（dòng）的（de）半被动（dòng）步行（háng）机（jī）器人。最终利用所得（dé）的结（jié）论指（zhǐ）导机器人的设计和控制（zhì），从而（ér）实现稳定、鲁棒、高效的（de）仿（fǎng）人双足机器（qì）人。

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所以，在此基础上波士顿（dùn）动力研发（fā）出了上（shàng）图这款叫ATRIAS的机（jī）器（qì）人。它在（zài）两条腿上（shàng）面的（de）盒子中加上了驱动（dòng），而腿部放置了弹簧（用以储能），在行走的过程中腿以以一种被（bèi）动摆动的形式交互运作（zuò）。ATRIAS引（yǐn）入了弹簧-质点模型（xíng）（身体的质量以一（yī）个单点（diǎn）的形式附着（zhe）在一条“无（wú）质量”的弹簧腿上）。腿（tuǐ）上的弹簧可以在每只脚落（luò）地时储（chǔ）存部（bù）分能量，并把它转变成推动机器（qì）人下一步（bù）的（de）力量，正如动物腿上的（de）弹性关节。

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与大多数（shù）机器人采取的静（jìng）态稳定性的方法不同，ATRIAS以动态（tài）稳（wěn）定的（de）方（fāng）式行走，这（zhè）与人类的行走方式相同：在每次（cì）迈步的过程中于倾倒（dǎo）之前获得平衡。这样，当被动（dòng）摆动（没（méi）有电（diàn）机）的双腿与（yǔ）强（qiáng）大的髋关节（jiē）电机相连时，弹簧－质点模型（xíng）就能产生一（yī）种极为高效的步态，受到扰动时能够神奇般地（dì）自动复原。

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在ATRIAS基础上，今年2月（yuè）份Agility Robotics公司（sī）（ATRIAS研发团队中的某些人）又推出了上面这款机器人Cassie。看（kàn）图片也知道（dào），相比（bǐ）于人类来（lái）说，它更像是一只鸵鸟的两条（tiáo）腿。但无论如何，图片（piàn）中的Cassie才三（sān）个月大（dà），关于Cassie的详（xiáng）细介（jiè）绍（shào），可（kě）以查（chá）看我（wǒ）们之前的（de）文章：深（shēn）度解析（xī）|鸵鸟机器人Cassie，如何进化成机器人通用型平台？最最重要的，Cassie不再仅仅是用作实验室的研究（jiū），它可以走出去用于灾害救援，也可以用（yòng）于货物运输（shū）。

最后说一个小插曲，ATRIAS的全称是“assume the robot is a sphere”，意为“假（jiǎ）定机（jī）器人是（shì）一个（gè）球体”——这是物（wù）理学圈内的一个经典笑话，基本意思（sī）是“简（jiǎn）单的才是最好的”。感觉有种站在高地嘲笑那些苦心钻研（yán）各种算法的（de）科研（yán）人（rén）员（yuán）的意（yì）思。不过我（wǒ）很赞同他们的观（guān）点，正应了中国的（de）一句成语——大繁（fán）若简。

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机器（qì）人，就是夹杂着各种科学的奇思妙想（xiǎng）