随着机器人技术的不断发展和进步，现在已有150万机器人遍布在世界各地，从事清扫、勘探甚至星球探测的工作。但是，这些成就对从事机器人研究的科学家们来说，还只是万里长征的第一步，远远没有达到他们期待的水平。

　 科学家的真正期望是，让机器人在人类社会生活中自由自在地行动，学会在各种嘈杂和难以预料的环境下与人交流，而不只是像温室花朵般生存在实验室里。机器人必须能够自由行走、熟练操作和表达思想，一句话，它们需要更多地具备人性特征，更像人而不是机器。

　　科学家一直在研究这种更加像人的类人机器人。但是，研究中存在许多难题，其中最为困惑的是，要使机器人逼真地模仿人类触摸、行走和说话，所要求遵循的科学机理相当复杂，而且需要很好地控制。

　　虽然机器人的娱乐功能逐渐消失，但作为人类助手的功能却越来越强大。机器人身份的改变归功于计算能力的巨大飞跃和控制软件、传感器和制动装置的突飞猛进，这些技术进步掩盖了机器人沉闷的外表，让它们获得了人类难以达到的特殊能力。随着行动、语言和灵巧动作等能力要素研究的不断深入，新一代机器人将彻底改变令人尴尬的面目。

　　研究人员综合利用行走、说话和动手能力这三大领域的研究成果，正在设计新一代类人机器人，一旦人工智能技术跟进，这些机器人除了具备打扫房间、洗碗、倒垃圾这些基本功外，还会与孩子们玩耍、照顾老人甚至到遥远的星球上去探索宇宙的奥秘，并能在危险时刻帮助搜救遇害人员。本文将从行走、说话和操作能力三方面，介绍目前世界类人机器人研究的惊人进展。

1 学会和人类一样走路

　　无论是《星球大战》，还是《世界大战》，这些电影中最吸引观众的就是会走路的机器人。或许是这些机器人看起来更像活生生的人，或许是它们的两条腿更像人，不管怎样，对科学家而言，让机器人能够走路是一个相当大的难题。在为此绞尽脑汁达数十年之后，现在，机器人终于站起来走路跑步了。

　　事实就是事实，今天的成就首先要感谢玩具商们。

　　1938年，美国发明家约翰·威尔逊为一种玩具申请了专利，当这个玩具被放在微微倾斜的斜坡上时，能够用两个支点做腿蹒跚而行，为了让摇摆的脚能离开地面，玩具腿部的摇摆动作非常滑稽。这种取名为“散步者”（图2）的玩具上市后非常受欢迎，获得了巨大成功，现在的玩具店仍在出售它的衍生产品。它行走时既不需要用电池也不需要上发条，仅仅依靠重力就能让双腿行走。

　　我们人类行走时，通过弯曲膝盖来保证双脚离开地面，并不像“散步者”那样蹒跚走路。科学家对“散步者”的长期观察，引导他们产生了设计人类本领的机器人的想法，这是非常重要的一步。

　　近来的设计趋势是，让机器人的双腿装上更多的动力装置和更严格的控制器，指导关节处的活动，阿斯莫就是利用这种方法设计出的机器人。

　　这些机器人在工程学上取得了突破，但走起路来缓慢而步伐沉重，一点也不像人类行走。而“散步者”向科学家证明，人类的自然行走依靠的是重力对双腿支撑着的身体的作用，而不是对双腿运动进行精确的动力控制，简单说，走路是一种被动行为，不是主动行为。现在，越来越多的科学家认同“散步者”蕴含的行走原理，并朝着这个方向研究。

　　哈佛大学生物机械学专家托马斯是第一个在实验室研究“散步者”原理的。上世纪80年代早期，托马斯和他的一个学生提出了大胆假设：腿的行动方式就像钟摆一样，是依靠重力自由或弹道式摇摆的，直到身体的重量让脚接触地面。而且，托马斯意识到，这意味着，每走一步路都不应该消耗能量。英国行走专家亚历山大解释说：“这刚好能够解释，为什么人类在走路时腿部肌肉的活动量很少。”

　　受托马斯弹道行走观点的启发，机械工程师塔德推测，既然行走是依靠双腿的移动和重力作用而不是制动装置的影响，这种被动行走就应该能够模仿出人类从双脚离地到重新落地的完整的步态过程。他用理论推算证明，如果量出人类膝关节在腿上的精确位点，然后按照这个数值将机器人的膝关节放在下肢中间偏上一点的位置，机器人就完全可以像人类一样行走。1990年，塔德发表了一系列标志性的论文，证明无论有无膝盖，被动行走的机器都能非常平稳地走下山，而且步态与人类非常相似。

　　受到麻省工学院机器人专家马克的影响，康奈尔大学的安迪也开始了这方面的研究，并从此沉迷于被动行走机器人领域。2001年，安迪和他的学生用杆和铰链制作了一个简单的双足机器人，这个机器人能沿着斜坡进行短时间的漫步，虽然有时候会东倒西歪，精心设计的脚和手臂却能够维持整个机器的平衡。这个实物证明，托马斯的观点可以用在类人的机器人身上，而且利用这种原理改造类人机器人有两大优势，一是设计简单，二是能量消耗非常低。

　　经过了10年至15年的研究，直到今天，托马斯的观点才用在了真正的类人机器人身上。当被动行走在斜坡上的实验获得成功后，有科学家怀疑，被动行走的原理对于平地行走来说难以实现，但是去年，三个独立的研究小组证明，利用被动行走的原理，双腿机器人也能在平路上走路，且步态与人类非常相似，看起来很自然。

　　这些机器人大大简化了腿部设计和控制，更重要的是降低了能耗。前面谈到的阿斯莫就是利用主动行走原理设计的机器人，这种机器人身上安装有多个电动装置，以便不断地驱动26个不同关节的弯曲动作，需要40伏的电池才能提供足够的能量，但电池充电往往需要4小时，且充电后只能运行1个小时。

　　在平地上被动行走的机器人，只在每次脚碰到地面和身体向下运动反弹时需要消耗少许能量。仍然是受到人类自然行走过程的启发，科学家发现，人类通过在每一步起步时总是先提起脚的后半部分，这一动作为步行提供了动力。安迪领导的研究小组设计的双足机器人具有类似于人类的这种本领，在这个机器人的小腿处安装一个弹簧，通过一个小制动装置拉伸弹簧，当弹簧松开时机器人的踝关节就会弯曲，像人类一样开始行走。

　　在2005年的美国科学促进会年会上，安迪展示了他们的机器人。该机器人腿长1米，有一个简单的身躯和带有两只眼睛的板状脑袋（图3）。在平地行走时，它步态放松，与人非常相似，大大超过了传统双足机器人和科幻电影中原型机器人的笨拙步态，而且能耗与人类行走能耗相当，比阿斯莫的能耗少15倍。

　　在同一个年会上，还展出了康奈尔大学的两种新机器人。一个是荷兰代夫特工学院展出的名叫“丹尼斯”的机器人（图4），它与众不同的是拥有膝盖，臀部装有空气压缩式制动装置。虽然比康奈尔大学的机器人消耗的能量更多，但由于其踝关节的设计借用了溜冰板的原理，走起路来更加稳定，当遇到不规则的路面时，康奈尔大学的机器人会失去平衡而摔倒，而丹尼斯能够调整自己的步伐维持平衡，当身体向右倾斜时，整个机器会绕着纵轴进行稍微的旋转，从而下一步稍微向右走走，这样就不会摔倒。

　　另一个机器人叫托德（图5），是麻省工学院机器人专家若斯领导的研究小组设计的。在这三个机器人中，托德是最小和最轻的，只有2.8公斤重，站直了也只有43厘米高。它的机械原理更简单，消耗的能量也更低。但它“人”虽小志气却不小，它能通过感觉身体的倾斜和其他变化来学会走路，其主板上的电脑能调节发送到电动装置上的命令信号，使踝关节弯曲。它能适应几种不同的地形，比如地毯和瓷砖地板，自如地行走。

　　当然，也有科学家不同意被动行走是研发行走机器人的正确选择，他们认为，被动行走的机器人遇到障碍物时不知如何处理，这些机器就像没有发动机的汽车往山下滚一样；当地板不平或粗糙时，行走就更艰难。但是，连这些反对者也对被动行走很感兴趣，认为它能更好地认识人类，从而更好地将这些认识应用于人体假肢等外科手术中。

　　一些科学家认为，既省能量又能克服障碍的机器人，必须结合被动行走和动力控制两种原理的优点，并在实际操作中，机器人大部分关节还需要动力装置。

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