上（shàng）图（tú）这个（gè）机器人（rén）可不简单，它是（shì）世界（jiè）纪录的保持者，目前最新（xīn）的纪录（lù）是连续步行27小时，总长（zhǎng）72公里（相（xiàng）当于十（shí）万步还要（yào）多）。而最最关键的是，它完全（quán）凭（píng）借自己完美的机械结构（gòu），没有任何动力源。对！没有电（diàn）机、没有电（diàn）源，给它一（yī）个初始动（dòng）力就在（zài）那（nà）干走27个（gè）小时。它的发明（míng）者是日本名古屋工业大学佐野明人教授。

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这是（shì）证书

这很不（bú）可思议，然而这件不可思（sī）议的事情（qíng）背后（hòu）肯定有支撑（chēng）它的理论。它依赖的（de）是仿生（shēng）学和（hé）生物动力学（xué），而在（zài）现有250多个灵长（zhǎng）类（lèi）物种（zhǒng）中，只有（yǒu）一个（gè）物种是用两（liǎng）条（tiáo）腿走来走去的——那就是我们人类（lèi）。至（zhì）少90%的人（rén）会认为，我们行走（zǒu）靠的是肌肉，然而科学研（yán）究却（què）证明不仅仅是这样。就像（xiàng）开头的机器人它基于的“被动行走”理论（lùn）阐述（shù）的是（shì）人双（shuāng）足行走不仅仅需要肌肉的主（zhǔ）动拉伸，同（tóng）时更需要大（dà）自然的重力（lì）去配合（hé）着完成。

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忽略旁边（biān）抢镜的日本（běn）老头，是不（bú）是很像人类偷懒时的行走方（fāng）式？

什么是被动行走理论？我（wǒ）们先来揭秘一下自己的双（shuāng）腿

关于（yú）人类祖（zǔ）先为什么要放弃四肢着地，而选择直立行（háng）走（zǒu）的理论可谓（wèi）是五花八门，至今也没有定论。有人说是为了解放双手进行劳作，有人说是为了（le）摘到以前够不到的果子，甚（shèn）至有人说（shuō）是为了在微风中（zhōng）更好的散热。似乎都（dōu）有些道理，但有一种（zhǒng）解释——可（kě）以节约能源，是有科学依据的。三位（wèi）美国（guó）科学家（加州大学（xué）戴维（wéi）斯分校的迈克尔·索科尔、亚利桑那大学的戴（dài）维（wéi）·赖希伦和（hé）华盛顿大学（xué）的赫尔曼·庞泽尔），对（duì）比（bǐ）黑猩猩与人类（lèi）行走所消（xiāo）耗的（de）能量做（zuò）了一（yī）个实验，并将结果（guǒ）发表在了美国《国家科（kē）学院（yuàn）学报》上：人类之所以最（zuì）终（zhōng）进化成为两条腿（tuǐ）走路的（de）动物，主要是因为（wéi）这种行走方式最为节省能量。

通过（guò）对5只黑猩猩和4个（gè）成年人在（zài）跑步机上运动时耗氧（yǎng）量（liàng）的比（bǐ）较，他们发现，人类直立行走（zǒu）所需要的能量是黑猩猩四肢行走耗能的四（sì）分之一。科学家（jiā）说，这些（xiē）定量的数据说明（míng）直立行走比四肢行走（zǒu）更节省能量。有趣的是，科学家还发现，同一群体（tǐ）的不同个（gè）体之间也存在很大差异，起初黑猩（xīng）猩两腿直（zhí）立行（háng）走和四肢着地行走时（shí）所耗费的能（néng）量几乎没有差别，但是，长期（qī）进（jìn）行直立行走训（xùn）练的黑猩猩，会比短（duǎn）期训练的（de）黑猩猩更节省能量。所以，直立行走需要技巧，人也（yě）是一样，有些人（rén）看似（sì）走（zǒu）着，但（dàn）他并不会“走（zǒu）路”！

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索科尔说，“人类学会直（zhí）立行走时东非地区的降水越来越少，原本茂盛（shèng）得密不透风的森林变得越来越稀疏空旷，食物来源也变得越来（lái）越分散。我们的祖先不得（dé）不走更（gèng）远（yuǎn）的（de）路来获取足够的食物。假如（rú）用两条腿走远路能省点力（lì）气（qì），那么，谁长途跋涉更不费劲，谁就占便宜。”“如果四处采集食物时能节省些能量，那份能量就可以用来发育和繁殖。”赖希伦说：“人类的祖（zǔ）先一（yī）旦发现了直立行走（zǒu）的（de）好（hǎo）处，他（tā）们便会慢慢（màn）适应这种新的行（háng）走方式，这就是自然选择的作用。”达尔文的“物竞天（tiān）择，适（shì）者生存”放之四海而皆准。

我们的（de）祖先经过许多世代更迭、漫长岁（suì）月洗礼而（ér）形成的这些改变，看来的确没有白费功夫，事实证明相当（dāng）实用。哈（hā）佛（fó）大学人类学系的（de）丹·利伯曼通过实验发现，直（zhí）立行走可以说是有关平衡、协（xié）调、效率的壮举。他发现（xiàn），在（zài）行（háng）走（zǒu）过程（chéng）中（zhōng），双腿（tuǐ）的作用就像颠倒的（de）摆钟（zhōng）——以一（yī）条支撑腿为（wéi）支点，身体在（zài）其（qí）上做弧线摆动。这使得身体每（měi）迈出一（yī）步所（suǒ）消耗的大部（bù）分能量（liàng）得以储存，减少了一半以上的能量消耗。

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我（wǒ）们小时候认为（wéi）最神奇的玩具之一

被动动力学理论创立与成熟

生物学（xué）家发现人类直立行走的大奥秘，动（dòng）力（lì）学家们就闲不（bú）住了。1990年，加拿人学者（zhě）T.McGeer提出了被动（dòng）动力学（xué）理论，并由此有（yǒu）了“机（jī）器人被（bèi）动行（háng）走（zǒu）”的概念。用完全的被动动力学法，机器人的所有关节无须驱动，只依靠机器人和（hé）环境二（èr）者之（zhī）间交互的动力学特性就可（kě）以实现自发步行，所以称作被动步行。因为没（méi）有能量输入，为（wéi）了克服摩（mó）擦和脚触地时（shí）的（de）能量损失，通（tōng）常在斜坡上下行（háng）时实现自（zì）发（fā）步（bù）行，此时重（chóng）力（lì）补偿了能量损失。这种自发的稳定步态（tài）完全是由机器（qì）人的机械结构决定（dìng）的（de）。下面是一个简单（dān）的原理（lǐ）图。

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基于自己的理论，T.McGeer先后构建了（le）2D无关节的纯被动机器人和有膝关节的双足（zú）被机器（qì）人。自T.McGeer开创性工（gōng）作之后，美国、欧洲和日本的大学（xué）就都开始在被（bèi）动步（bù）态领域展开的深入的研（yán）究。其（qí）中比较（jiào）出名的（de）是康纳尔大学的、麻省理工学院、荷兰（lán）代尔（ěr）夫（fū）特理工大学和前面提到（dào）的日本名古屋工业（yè）大学。一（yī）时（shí）间完全被动的（de）和有驱动的不行机器人风靡全球的科研院所。

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本（běn）文开篇提到的（de）那个超牛（niú）掰的机器人佐野明人（rén）教授花了十几年（nián）时间于（yú）2009年研（yán）制成功（gōng）的。而这种机器（qì）人有一个弊端，在没有动力源的情况下，要求（qiú）机器（qì）人（rén）行走的路面必须（xū）是一个（gè）斜（xié）坡，显然这对于能应用于我们（men）生活中的机器人是不现实（shí）的。所以科（kē）学家的目的（de）不在于此，他（tā）们的目的是什么？清华大学重点实验室的教授在论文中这样说：在（zài）充分分析机器（qì）人被（bèi）动（dòng）行走原型系统的基础（chǔ）上逐步加大机器人结构的（de）复杂（zá）度，研究（jiū）引入驱动的半（bàn）被动（dòng）步行（háng）机器人（rén）。最终利（lì）用所得的结论指（zhǐ）导（dǎo）机器（qì）人的（de）设计和控制，从而实（shí）现稳定、鲁棒、高效的仿人双足（zú）机器人。

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所以，在（zài）此基础（chǔ）上波（bō）士顿动力研发出了上图这款叫ATRIAS的机器人（rén）。它在（zài）两（liǎng）条腿上面的盒（hé）子中加上（shàng）了驱动（dòng），而腿部放（fàng）置（zhì）了弹簧（huáng）（用以储能），在行走（zǒu）的过（guò）程中腿以以一种被动摆动的形式交互运作（zuò）。ATRIAS引入了弹（dàn）簧-质点模型（身（shēn）体的质量以一个单点的形（xíng）式附着在一条“无质量”的弹簧腿上（shàng））。腿上的（de）弹簧可以在（zài）每只脚落地时储存部（bù）分能（néng）量，并把（bǎ）它转变（biàn）成推动（dòng）机器人（rén）下一步（bù）的（de）力量，正如动（dòng）物腿上（shàng）的（de）弹（dàn）性关节。

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与大（dà）多数机器（qì）人采取（qǔ）的静态稳定性的方法（fǎ）不同，ATRIAS以（yǐ）动（dòng）态稳定的（de）方式行走（zǒu），这与人类（lèi）的行（háng）走方式相同：在每次（cì）迈步（bù）的过程中于倾倒之前获得平衡（héng）。这样，当被（bèi）动摆动（没有电机）的（de）双（shuāng）腿与强大的（de）髋（kuān）关节电（diàn）机相（xiàng）连时，弹簧－质点模型就能产（chǎn）生一种（zhǒng）极为高效的步态，受（shòu）到扰动时能够神奇般地自动复原。

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在ATRIAS基础上，今年2月（yuè）份Agility Robotics公司（ATRIAS研发团队中的某些人）又（yòu）推出了上面这款机（jī）器人Cassie。看图（tú）片也知道，相比（bǐ）于人类（lèi）来说，它（tā）更像是一只鸵（tuó）鸟的两条腿。但（dàn）无（wú）论（lùn）如何（hé），图（tú）片中的Cassie才三个月大，关于Cassie的详细（xì）介绍（shào），可以查看（kàn）我们之前的文章（zhāng）：深（shēn）度解析|鸵鸟机器人Cassie，如何进化成机器人通用型（xíng）平台？最最重要的，Cassie不再仅仅是用（yòng）作实验室的研究，它可以走出去用于（yú）灾害救援，也可以用于货物运输。

最后（hòu）说一个小（xiǎo）插曲，ATRIAS的全称是“assume the robot is a sphere”，意为（wéi）“假定机器人是一个球体”——这是物理学圈内的（de）一个经（jīng）典笑话，基本意（yì）思（sī）是“简单的才是最（zuì）好的”。感觉（jiào）有种（zhǒng）站在高地（dì）嘲（cháo）笑那些苦心钻研各种算法（fǎ）的科研人员的意思（sī）。不过我很赞同他（tā）们的观点，正应了中国的一句成语——大繁若简。

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机器人（rén），就是夹杂着各种科学的奇思妙想