資訊科技

雙足機器人開步走

讓人形機器人平穩行走,不像你想得那麼簡單!然而研究人員正採取各種不同策略,可望讓機器人走進人類世界。

撰文/帕夫洛斯(John Pavlus)
翻譯/周坤毅

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雙足機器人開步走

讓人形機器人平穩行走,不像你想得那麼簡單!然而研究人員正採取各種不同策略,可望讓機器人走進人類世界。

撰文/帕夫洛斯(John Pavlus)
翻譯/周坤毅


2015年6月某日,在美國洛杉磯東邊約50公里的波莫納市,普瑞特(Jerry Pratt)看到螢幕顯示著南加州午後的蔚藍天空,心想大事不妙。天空不是問題所在,而是拍攝到此畫面的攝影機,裝在一具非常昂貴而複雜、綽號「奔跑者」(Running Man)的人形機器人頭上。螢幕顯示天空的原因只有一個:原本應該矯捷踏上一小堆煤渣磚的機器人,現在卻倒地不起、手足無措。


普瑞特沒看見機器人怎麼跌倒,但聚集在美國國防高等研究計畫署(DARPA)機器人挑戰賽(DRC)現場的機器人專家、媒體記者與觀眾都目睹了這一幕。弗羅里達州人機認知研究所(IHMC)的普瑞特及同事正與其他24組團隊競爭200萬美元的大獎,此時「奔跑者」就像等待導演喊卡的喜劇演員,僵硬躺在地上,右腳筆直伸向空中。接著重力開始發揮作用,機器人的髖部與軀幹倒向一側,笨重的右腳則慢慢落到地上,雙臂展開呈雪天使般的大字形。


這顯然不是普瑞特與同事希望看到的結果。他們與卡內基美倫大學、麻省理工學院(MIT)等頂尖機器人實驗室的團隊競爭,希望證明機器人也能做到一般四肢健全的人類習以為常的事。DRC的參賽機器人必須在60分鐘內,駕駛一輛小型吉普車、下車打開一扇關著的門、進入建築物,接著清除走廊上的破瓦殘礫、穿越一堆煤渣磚、撿起一具電動工具,並用它切開一片石膏牆,最後轉動一具大型金屬閥門、走上一小段樓梯。多數機器人都能夠完成其中幾項任務,但常常跌倒。


競賽結束後六個月,普瑞特已回到朋沙科拉市的實驗室。他回憶這次經驗,想告訴那些擔心機器人即將統治全世界的人:「走路,真的很難!」


嬰兒學步不簡單

走路,真的很難。只要觀察兩歲以下的孩童學步,或曾受過傷而正在做復建來重新練習走路的病人就知道。但步行有什麼難的?畢竟人類行走的歷史超過數十萬年,而鴕鳥這類雙足動物已經步行了超過數百萬年。康乃爾大學機械工程系的教授魯伊納(Andy Ruina)從1992年開始研究雙足運動並設計機器人,他說:「有些人看到嬰兒會走路,便直覺認為步行一定很簡單,但實際上嬰兒能做出各種我們仍不了解的事。」


嬰兒學步的困難之處可以用一個詞概括:靈活度。雙足運動需要整合跨步、平衡、維持動量、修正錯誤與適應地形等複雜行為,缺一不可。只要任何一項功能稍有失常,一般健康成人理所當然的流暢步伐,很快就會變成笨拙、無力而萎靡的動作。


生物靈活度讓我們在行走時能夠展現各種特性。首先,精確控制:我們藉由感官尋找可靠的立足點。其次,適應性很強:遇到意外或失足時,我們多半能自行修正步行動作。再者,效率極高:我們不必耗費大量時間、能量或心力便能輕鬆行走,甚至邊走邊嚼口香糖。


數百萬年來的演化,賦予人類行走所需的生物靈活度(暫不論幼兒得花數年練習走路);我們透過視覺、觸覺與本體感覺學習步行控制與平衡。當我們無意間踩上石頭時,能夠立即反應而不會每次都摔個狗吃屎;即使跌倒了,也有柔韌組織包覆堅硬骨骼以保護我們。最後,我們踏出的每一步都是高效率的機械交響樂:肌肉與肌腱能在這一刻被動吸收衝擊,下一刻便主動產生推力;脊椎神經能維持週期性的運動模式,指揮雙腳朝正確的方向邁出,大腦得以處理更重要的事務。


因為雙足機器人無法同時做到人類(甚至雞)行走具備的精確控制、適應性與高效率,因此讓機器人步行真的很難。由日本本田公司研發、外表如太空人的知名機器人Asimo,特別著重「控制」,在踏出每一步前,都得仔細計算所需的力道、軌跡與動量。在波士頓動力公司爆紅的影片中,新一代亞特拉斯(Atlas)機器人則強調「適應性」,著重速度與平衡而非精確控制;亞特拉斯能徒步穿越積雪的森林,跌倒後還能自動站起來。


「奔跑者」與其他幾具參加DRC的機器人也是參考亞特拉斯修改而成;例如美國喬治亞理工學院的研究人員艾姆斯(Aaron D. Ames)正研發一具沒有頭與手的雙足機器人DURUS,他根據多達幾百頁的複雜數學方程式,來計算機器人身體所能展現的各種姿勢;俄勒岡州立大學的機械工程師赫斯特(Jonathan Hurst)則使用描述鳥類在地面奔跑的基本物理模型,建造一具相對簡單的機器人ATRIAS。


儘管他們的做法稍有不同,但都著重「效率」。不過,也有人採取混合策略,例如在DRC獲得亞軍的「奔跑者」,普瑞特採用一種方法「擷取點」(capture point),希望達到Asimo的精確控制與亞特拉斯的適應性。儘管每種做法各有千秋,但還沒有機器人能同時滿足人類行走所需的效率、彈性、速度與控制。


或許工程師根本不必煩惱如何建造步行機器人。南韓科學技術院(KAIST)的首席機器人專家吳俊鎬(Jun Ho Oh,音譯)便採取盡量避免雙足運動的策略:在機器人的膝蓋與腳掌裝上輪子,競賽過程中大多以穩定跪姿在地上滑行,最終贏得DRC大獎。畢竟萊特兄弟發明飛機時,並沒有盲目模仿鳥類的拍翅飛行。


然而打造步行機器人仍然吸引人。最顯而易見的理由與猶太人的泥人傳說一樣古老:借助更強壯而優秀的人造人,完成對血肉之軀過於艱難、危險或乏味的工作。DARPA把DRC場地模擬成2011年日本福島核電廠爐心熔毀的狀況:如果當初有機器人能駕駛汽車進入廠內,爬上幾階樓梯,穿過佈滿破瓦殘礫的走廊,然後轉動幾道閥門或開關,災情或許就不會如此慘重。救災任務只是其中一項應用,諸如辦公室遠端遙控(或稱遙現)、家庭助手、包裹遞送、保安巡邏、安全戒護、資源探勘與採集,都能借助人形機器人提高效率並實現自動化。普瑞特說:「就我所知,現有生物或機械結構中,沒有比人形機器人更適合陸地運動的。」


建造雙足機器人也有其他十分重要的益處。艾姆斯指出,透過建造模仿人類運動的機器人,能協助我們更了解步行原理。他說:「如果我們能讓機器人像人類一樣走路,便能幫助許多無法走路的人。」


人類建造雙足機器人的夢想與人工智慧(AI)的目標類似,都是擁有不受限制的萬能機械。如果AI是終極的思考機器,那麼人形機器人便是終極的「工具人」:一種真正的萬能機械,能勇闖未知環境,利用人類已發明的工具完成任務。吳俊鎬說:「建造人形機器人的唯一目的就是擁有萬能機器人。或許不是每個地方都需要雙足機器人,但某些情況非它不可,我們便是在為這種情況做好準備。」


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