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上圖這個機器人可不簡單，它是世界紀錄的保持者，目前最新的紀錄是連續步行27小時，總長72公里（相當于十萬步還要多）。而最最關鍵的是，它完全憑借自己完美的機械結構，沒有任何動力源。對！沒有電機、沒有電源，給它一個初始動力就在那干走27個小時。它的發明者是日本名古屋工業大學佐野明人教授。
這是證書
這很不可思議，然而這件不可思議的事情背后肯定有支撐它的理論。它依賴的是仿生學和生物動力學，而在現有250多個靈長類物種中，只有一個物種是用兩條腿走來走去的——那就是我們人類。至少90%的人會認為，我們行走靠的是肌肉，然而科學研究卻證明不僅僅是這樣。就像開頭的機器人它基于的“被動行走”理論闡述的是人雙足行走不僅僅需要肌肉的主動拉伸，同時更需要大自然的重力去配合著完成。
忽略旁邊搶鏡的日本老頭，是不是很像人類偷懶時的行走方式？
什么是被動行走理論？我們先來揭秘一下自己的雙腿
關于人類祖先為什么要放棄四肢著地，而選擇直立行走的理論可謂是五花八門，至今也沒有定論。有人說是為了解放雙手進行勞作，有人說是為了摘到以前夠不到的果子，甚至有人說是為了在微風中更好的散熱。似乎都有些道理，但有一種解釋——可以節約能源，是有科學依據的。三位美國科學家（加州大學戴維斯分校的邁克爾·索科爾、亞利桑那大學的戴維·賴希倫和華盛頓大學的赫爾曼·龐澤爾），對比黑猩猩與人類行走所消耗的能量做了一個實驗，并將結果發表在了美國《國家科學院學報》上：人類之所以最終進化成為兩條腿走路的動物，主要是因為這種行走方式最為節省能量。
通過對5只黑猩猩和4個成年人在跑步機上運動時耗氧量的比較，他們發現，人類直立行走所需要的能量是黑猩猩四肢行走耗能的四分之一。科學家說，這些定量的數據說明直立行走比四肢行走更節省能量。有趣的是，科學家還發現，同一群體的不同個體之間也存在很大差異，起初黑猩猩兩腿直立行走和四肢著地行走時所耗費的能量幾乎沒有差別，但是，長期進行直立行走訓練的黑猩猩，會比短期訓練的黑猩猩更節省能量。所以，直立行走需要技巧，人也是一樣，有些人看似走著，但他并不會“走路”！
索科爾說，“人類學會直立行走時東非地區的降水越來越少，原本茂盛得密不透風的森林變得越來越稀疏空曠，食物來源也變得越來越分散。我們的祖先不得不走更遠的路來獲取足夠的食物。假如用兩條腿走遠路能省點力氣，那么，誰長途跋涉更不費勁，誰就占便宜。”“如果四處采集食物時能節省些能量，那份能量就可以用來發育和繁殖。”賴希倫說：“人類的祖先一旦發現了直立行走的好處，他們便會慢慢適應這種新的行走方式，這就是自然選擇的作用。”達爾文的“物競天擇，適者生存”放之四海而皆準。
我們的祖先經過許多世代更迭、漫長歲月洗禮而形成的這些改變，看來的確沒有白費功夫，事實證明相當實用。哈佛大學人類學系的丹·利伯曼通過實驗發現，直立行走可以說是有關平衡、協調、效率的壯舉。他發現，在行走過程中，雙腿的作用就像顛倒的擺鐘——以一條支撐腿為支點，身體在其上做弧線擺動。這使得身體每邁出一步所消耗的大部分能量得以儲存，減少了一半以上的能量消耗。
我們小時候認為最神奇的玩具之一
被動動力學理論創立與成熟
生物學家發現人類直立行走的大奧秘，動力學家們就閑不住了。1990年，加拿人學者T.McGeer提出了被動動力學理論，并由此有了“機器人被動行走”的概念。用完全的被動動力學法，機器人的所有關節無須驅動，只依靠機器人和環境二者之間交互的動力學特性就可以實現自發步行，所以稱作被動步行。因為沒有能量輸入，為了克服摩擦和腳觸地時的能量損失，通常在斜坡上下行時實現自發步行，此時重力補償了能量損失。這種自發的穩定步態完全是由機器人的機械結構決定的。下面是一個簡單的原理圖。
基于自己的理論，T.McGeer先后構建了2D無關節的純被動機器人和有膝關節的雙足被機器人。自T.McGeer開創性工作之后，美國、歐洲和日本的大學就都開始在被動步態領域展開的深入的研究。其中比較出名的是康納爾大學的、麻省理工學院、荷蘭代爾夫特理工大學和前面提到的日本名古屋工業大學。一時間完全被動的和有驅動的不行機器人風靡全球的科研院所。
本文開篇提到的那個超牛掰的機器人佐野明人教授花了十幾年時間于2009年研制成功的。而這種機器人有一個弊端，在沒有動力源的情況下，要求機器人行走的路面必須是一個斜坡，顯然這對于能應用于我們生活中的機器人是不現實的。所以科學家的目的不在于此，他們的目的是什么？清華大學重點實驗室的教授在論文中這樣說：在充分分析機器人被動行走原型系統的基礎上逐步加大機器人結構的復雜度，研究引入驅動的半被動步行機器人。最終利用所得的結論指導機器人的設計和控制，從而實現穩定、魯棒、高效的仿人雙足機器人。
所以，在此基礎上波士頓動力研發出了上圖這款叫ATRIAS的機器人。它在兩條腿上面的盒子中加上了驅動，而腿部放置了彈簧（用以儲能），在行走的過程中腿以以一種被動擺動的形式交互運作。ATRIAS引入了彈簧-質點模型（身體的質量以一個單點的形式附著在一條“無質量”的彈簧腿上）。腿上的彈簧可以在每只腳落地時儲存部分能量，并把它轉變成推動機器人下一步的力量，正如動物腿上的彈性關節。
與大多數機器人采取的靜態穩定性的方法不同，ATRIAS以動態穩定的方式行走，這與人類的行走方式相同：在每次邁步的過程中于傾倒之前獲得平衡。這樣，當被動擺動（沒有電機）的雙腿與強大的髖關節電機相連時，彈簧－質點模型就能產生一種極為高效的步態，受到擾動時能夠神奇般地自動復原。
在ATRIAS基礎上，今年2月份Agility Robotics公司（ATRIAS研發團隊中的某些人）又推出了上面這款機器人Cassie。看圖片也知道，相比于人類來說，它更像是一只鴕鳥的兩條腿。但無論如何，圖片中的Cassie才三個月大，關于Cassie的詳細介紹，可以查看我們之前的文章：深度解析|鴕鳥機器人Cassie，如何進化成機器人通用型平臺？最最重要的，Cassie不再僅僅是用作實驗室的研究，它可以走出去用于災害救援，也可以用于貨物運輸。
最后說一個小插曲，ATRIAS的全稱是“assume the robot is a sphere”，意為“假定機器人是一個球體”——這是物理學圈內的一個經典笑話，基本意思是“簡單的才是最好的”。感覺有種站在高地嘲笑那些苦心鉆研各種算法的科研人員的意思。不過我很贊同他們的觀點，正應了中國的一句成語——大繁若簡。
機器人，就是夾雜著各種科學的奇思妙想
