要是什么都依着乔纳森·蒂皮特(Jonathan Tippett),那么未来的奥运会上,竞技者将不仅仅有人类,还有机器人运动员。

今年7月,在多伦多的一场科技活动上,这位加拿大机械工程师请我们设想这样一幅场景:人类驾驶员坐在巨型的仿生机甲中,相互竞赛。不妨想象一下电影《异形》中的双臂强力装卸器,或是游戏《泰坦天降》(Titanfall)中的场景。

3600斤的梦想2.png

《异形》中的双臂强力装卸器

3600斤的梦想3.jpg

游戏《泰坦天降》(Titanfall)中的场景

我们并没有想象太久,因为很快,这场机甲竞赛的首位选手就隆重出场了。

蒂皮特向我们介绍了Prosthesis,一个电力驱动的体外仿生平台,重3600多公斤,高4.5米,可放大平台中央驾驶员的动作。该机甲由铬钼合金钢打造而成,时速可达33.8公里。原地起跳高度达3米,充电一次可运行两小时。

从制造与工程角度来说,这已经相当厉害了。但几个月后,蒂皮特在接受采访时表示,他的使命比很多人想的更偏理念层面。“Prosthesis固然是一台高科技机器,但它也是一个3600公斤的比喻,象征了科技能赋予我们能力去实现心中所想,以及人类依然在机器人领域扮演重要角色。”

3600斤的梦想4.jpg


正是出于上述理念,蒂皮特和他在印第安纳科技公司Furrion的团队决定给机甲增加一个驾驶室,使之成为人机操作接口,而不是无人机竞赛中的那种遥控机器人。“Prosthesis是驾驶员身体的延伸。”蒂皮特说,“这就好像骑山地自行车,让你拥有最直接的体验,而不是充当旁观者。”

目前,蒂皮特正在培训驾驶员,同时完善机甲,准备参与竞赛。最终,它行动起来会像一头大猩猩——四肢着地行走或跑步。那么,要让它顺畅赛跑,使这一科幻梦想成为现实,蒂皮特下一步该怎么做呢?

最初的蜘蛛机器人

这不是Prosthesis第一次与世人见面。这台巨型机甲曾出现在多场科技活动上,如2017年拉斯维加斯消费电子展,以及今年夏天内华达州的火人节。

在Prosthesis之前,正是火人节激发了蒂皮特的发明精神。从不列颠哥伦比亚大学机械工程系毕业之后,蒂皮特一直专注于工程学。2006年,他获得火人节的一小笔津贴,和一批工程师建造了Mondo Spider,一台可以行走的机械蜘蛛,由液压泵和马达驱动。后来,作为2010年温哥华冬奥会的一部分,在文化项目CODE Live的委托下,他们将Mondo Spider改造成电力驱动,实现了静音运作、太阳能充电以及无尾气排放,故而能在室内运作。

3600斤的梦想3.png

2013年,蒂皮特在接受产品测试网站Tested采访时说,“如果你能将750公斤的行走蜘蛛从燃油驱动改造成电力驱动,你还有什么不能改造!”

Mondo Spider项目的成功让蒂皮特的“胃口”变得越来越大。当Mondo Spider开始在机器人界和普通大众中流行起来时,他已经开始起草Prosthesis的蓝图。蒂皮特的目标是更大、更快、更酷。

“我们要让驾驶员像坐过山车一样。”蒂皮特回忆起最初的光景。“坐在4米高的驾驶室里,用四肢来控制机甲的动作……这种感觉晕眩、惊心动魄,很刺激。”

对于刺激,蒂皮特再熟悉不过:他的爱好包括摩托车、山地自行车和单板滑雪。不过,在进入Prosthesis驾驶室之前,任务就已经分外艰巨。

构建机身

刚上手时,Prosthesis的规格就让蒂皮特有些犯难。对于一台3600公斤的行走机器,其悬挂系统应该是什么样子?从八条腿减至四条腿后,如何让机甲保持平衡?

要实现蒂皮特的目标,驾驶室至关重要。捆绑装置带有五个固定点,驾驶员的四肢伸入相应部位,再被类似血压表套袖的东西固定住。

蒂皮特决定放弃模拟人类步态,转而模仿大猩猩的行走姿势,凭借在地上甩动的双臂和双腿走路。在驾驶室内,驾驶员通过身体动作,控制着Prosthesis缓慢行走:驾驶员曲肘,则机甲下蹲;驾驶员前推手臂和腿,Prosthesis就会扭动躯干。

机甲的每一条腿都配备两部“液压致动器”,给四肢提供动力。腿的上端连接“髋部” 致动器,使之能前后摆动。另有一个致动器连接到四连杆机构的背侧,蒂皮特说。收缩这个膝盖致动器,就可以缩短腿的长度,将其提离地面,使髋部致动器能够往前摆腿。离开地面后,前摆的腿就会伸直,接触地面。髋部致动器还可以将腿收回,与此同时,减震器能支撑机器重量,并提供缓冲。

“这一切的最终目标是让动作更加顺畅。”蒂皮特说,“我们用了数周时间,对驾驶室内的安全带、减震器和保险杠进行微调,确保驾驶员能处处得心应手。”他叹了口气。“这样说吧,驾驶Prosthesis非常费力,难度很高。”

你也许料到了,要实现那个远大的目标,Prosthesis需要接受大量的磨合。蒂皮特就曾多次在机甲中摔倒,他将其与另一项运动相提并论。“在单板滑雪中,你要摔多少次,才会找到感觉?”他说。“Prosthesis也是一样,需要大量试错。”

对蒂皮特和他的团队而言,掌握好平衡只是第一步。如今,他正在研究如何让机甲顺畅行走——跑还不行,蒂皮特提醒说。得一步一步来。

“看看那些驾驶怪兽卡车的人,他们是怎样完美协调的。”蒂皮特说,“这跟Prosthesis十分类似。对体能的要求非常高。最后,观赛者将看到人类掌控这些机器人的高超技能。”

他不止一次地强调说,“我们围绕驾驶员设计了机器,而不是反过来。”他还补充说,机甲应该是人体的延伸,创造出那种难以复制的共生感。

3600公斤的梦想5.jpg

Agility Robotics推出的双足机器人Cassie

跨越路障

为了了解蒂皮特面临的挑战,我采访了几位机器人学专家。腿部运动看起来很容易复制,但其实很难,Agility Robotics首席技术官乔纳森·赫斯特(Jonathan Hurst)说,“这种运动采用一种精心架构的机械系统,弹簧、惯性和控制层次都要丝丝入扣。”他还表示,任何干扰机甲步态的东西,比如高低不平的地形,都可能使机器人的腿部失去动能,而不仅仅是偏离路线。

对此,赫斯特十分清楚:今年早些时候,Agility推出了最新款双足机器人Cassie,它没有躯干,采用和人类一样的三自由度髋关节。这使Cassie的腿在旋转的同时,也能前后左右摆动。

很快,赫斯特和同事们就会给Cassie安上手臂、躯干和传感器,但目前的版本已经面向研究实验室销售。“我们认为,它可以用于包裹派送和巡逻等任务。”赫斯特在谈到Cassie的长期应用前景时说。

赫斯特和蒂皮特对于机器人的理想也让我们联想到波士顿动力公司(Boston Dynamics)昙花一现的行走机器人LS3。2015年,曾作为军队后勤解决方案的LS3被停产,因为它存在诸多局限性,包括噪音大、出故障后修理困难,以及难以编入传统的海军巡逻队伍。

卡内基梅隆大学机器人学院副教授哈特穆特·盖尔(Hartmut Geyer)表示,他不希望Prosthesis承受和LS3同样的命运,但在他看来,要想凭Prosthesis开辟出机甲竞赛联盟,那基本上是“白日做梦”。

“最大的挑战在于控制层面。”盖尔说,“这些腿跑得够快吗?能完成特定的动作吗?另外,你还面临发动机过热的问题。”

有的四足机器人已经在学着跨越崎岖地形,但这方面的积极进展来自加州大学圣迭戈分校,该校开发了一种芒果大小的软性机器人。它自然不能和机甲相提并论,但它用橡胶材料,经3D打印而成。据宣传,它是该类型机器人中,首个能在沙子或碎石等粗糙地面行走的机器人。这台机器人还可以从走切换到爬,就像猫扭动着身躯钻进窄小空间。

有腿机器人若能调教得当,其潜力不容小觑。目前,有的大学甚至将整个科系投入这一项目,比如麻省理工学院就创建了有腿机器人实验室(Leg Laboratory)。在其实验室网站上,你可以追踪该校在高级机器人运动领域的进展,包括1991年的仿袋鼠机器人Uniroo,以及首个使用腿和踝关节的机器人。

要竞赛,不要战争

就目前而言,与Prosthesis最相近的也许是MegaBots公司推出的类似机甲。该公司让巨型机甲进行正面交锋。今年9月,Megabots机甲Mk. III与日本水道桥重工的Kuratas当面对决。MegaBots联合创始人顾伊·卡瓦尔康蒂(Gui Cavalcanti)称,这是“世界第一场巨型机器人较量。”Mk. III重6吨,高4.5米,可以向其他机器人投射炮弹大小的彩弹。

卡瓦尔康蒂认为,机器人战斗——即人类在驾驶室内控制机器人——与蒂皮特想在机甲竞赛联盟中实现的事是类似的。“其核心在于戏剧性,在于体育运动中,人的故事。”他说,“当你将人从这个等式中去掉,戏剧性就会大大降低。就以BattleBots为例,这是个很棒的节目,但当机器人被撕成碎片时,镜头就会切到眉头紧锁、手握遥控器的操作员。这看着一点也不过瘾。我们想看四分卫被阻截,想看拳击手被击倒在地。”

卡瓦尔康蒂也经历过艰巨的生产过程,因此,对于蒂皮特先不着急让Prosthesis学跑的谨慎做法,他表示很能理解。“开始一定要慢,因为我们的机器人可以做出很多动作。”卡瓦尔康蒂说,“它可以打中自己的鼻子,所以,一不小心,它的爪子就可能朝驾驶室飞来。”

驾驶员受伤的风险暂且不论,卡瓦尔康蒂又强调了机器人结构对工程人员来说可以有何等复杂。他指出,“机器人是一个庞大的系统设计问题。”他建议我们回顾一下福特经典车型Model T,以了解这几十年来汽车是如何演化的——其实是核心技术的增量式改进。“机器人比汽车更复杂。”他说,“相对于人形机器人,汽车的活动部件要少一些,对机甲这样的大型机器人而言,所有部件都必须同步运转。规模一变,一切都跟着改变。而像机器人学这样的新型科技平台,它需要经过全方位的细致呵护,才能面向公众。”

3600公斤的梦想6.jpg

Prosthesis在一座办公楼外

对于机甲竞赛,蒂皮特一直念念不忘。眼下,他可以从其他机器人“运动员”身上汲取些许灵感,比如无人机竞赛联盟。该赛事前工程主管、现担任美国宇航局机器人学专家的泰迪·扎奈托斯(Teddy Tzanetos)说,对蒂皮特而言,关键技能之一是全面掌控这一全新体育项目的宣传攻势。

“你必须管理好你所营造的形象和人们的预期。”扎奈托斯说,“人们一听到机甲竞赛,很容易把它想象成电子游戏之类。”虽然给出了如此理智的建议,但扎奈托斯也是一位不折不扣的机器人迷,如果机甲竞赛联盟真的运转起来,他的问题比谁都多。“什么会让机甲跑得更快?为什么要把腿设计成这样,而不是那样?这些都会激起我的兴趣。”

到目前为止,蒂皮特的驾驶员培训仍在缓慢推进。他原本希望12月份参加迪拜的世界未来运动大赛,但要把这个庞然大物搬过去,实在太费力。况且,它还有很多有待完善的地方。蒂皮特的新计划是,到2018年4月前,他要让Prosthesis参加首场竞赛,具体地点待定。不过,计划的延迟和种种障碍都没有阻止蒂皮特的脚步,对于竞赛联盟的未来,他仍旧充满期待。

他说,有的机甲可以在常规地面上竞赛,有的则擅长在凹凸不平的地面行走。每个机甲都有自己的个性,也许跟驾驶室内的人类驾驶员有关。如果F1方程式赛车手可以凭借个人风格与魅力吸引粉丝,机甲驾驶员又未尝不可?

他坦言,对抗赛也许不是一上来就可以开展的。机甲竞赛联盟的初始阶段可能会是各种竞速,运动员们交换Prosthesis进行比赛。由于机甲是由人的动作和能力来驱动,因此,它的力量和速度最终取决于驾驶员的技术。“制造机甲是一个野心很大的项目,我并没有下战书,呼吁大家都来挑战。”蒂皮特说,“我知道,进入门槛是很高的。”

尽管面临重重挑战,但蒂皮特依然乐观地相信,机甲竞赛联盟的机遇不是没有,只是时候未到。“当驾驶员展现出娴熟的技艺,将机器的潜力发挥到极致的时候,大家都会受到感染,尤其是那些有钱人。”在蒂皮特看来,宣传到位,加上足够的资金,发展就会提速,任何行业都是如此。

对于上面这番话,蒂皮特是认真的。用他自己的话来说,机甲竞赛进入奥运会就是他的一座“圣杯”。但Prosthesis得先学会走,才能跑,然后才是对抗,同样的道理,短期内,蒂皮特也要降低自己的期望才行。目前,他并不排除在其他舞台上向世人展示Prosthesis的机会。

“何不来一场超级碗中场表演?那再好不过了!”他激动地说。随后,蒂皮特顿了顿,“不过,既然谈到梦想,何不更进一步,来一场机甲橄榄球赛?!”


翻译:雁行

来源:arstechnica.com

  • 波士顿动力公司
  • 异形
  • 泰坦天降
  • Prosthesis
  • 巨型机甲

造就评论0

造就  发现最有创造力的思想