为什么动物比它们的机器人替身跑得更快……就目前而言

现代机器人技术充斥着模仿动物世界的人造机器。从体育场勘察机器狗到受长腿爸爸启发的探险机器人，以及介于两者之间的几乎所有东西，世界上不乏机械化的动物替身。人工智能系统、新合成材料和 3D 打印的进步极大地提高了这些机器奔跑、攀爬和绕过障碍物的能力，通常以科学探索或公众追随的名义。

但即使近年来技术进步和数十亿美元的投资投入到机器人行业，机械化机器在与生物同类的竞争中总体上仍然落后。这一基本观察结果为本周发表在《科学机器人》杂志上的一项新研究奠定了基础。

研究人员研究了与跑步相关的五个不同的“子系统”，并比较了动物和机器人在跑步方面的优势。动物依靠脆弱的骨骼和组织，乍一看，它们在几乎所有单个部件上都不如机器。研究人员发现，它们真正的优势实际上在于对身体的复杂而相互关联的控制。这种流畅的互操作性使动物比其各个部分的总和还要强大。

“结果显示，除了少数例外，工程子系统的表现优于生物子系统，有时甚至远远超过生物子系统，”SRI 国际高级研究工程师、论文合著者 Tom Libby 在一份声明中表示。“但同样非常清楚的是，如果在整个系统层面上将动物与机器人进行比较，就运动而言，动物是惊人的。而机器人尚未赶上。”

动物受益于生物的复杂性和世代的进化

五位研究人员分别专注于动物和机器中与跑步相关的一个特定子系统。这些系统分为动力、框架、驱动、传感和控制。从各个方面来看，机器在几乎所有这些类别中都胜过动物。例如，在框架方面，与动物骨骼相比，具有轻质但坚固的碳纤维机身的机器人可以支撑更大的质量结构而不会弯曲。同样，研究人员得出结论，机器人的计算机辅助控制系统在总体延迟和带宽方面优于动物的神经系统。

但尽管机器人似乎拥有更强大、更坚固的单个部件，但动物却更善于让它们无缝协作，形成一个有凝聚力的“整体”。当动物和机器人在现实环境中接受测试时，这种差异就显而易见了。虽然较新的机器人可以快速加速，甚至可以表演一些杂技，但在流动性和适应性方面，它们与生物机器人相比黯然失色。机器人有时需要在崎岖的地形上行走，但动物可以毫不费力地克服泥土、雪、植被和瓦砾等障碍，而无需三思而后行。

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西蒙弗雷泽大学生物医学生理学和运动机能学系教授马克斯·多内兰写道：“角马可以在崎岖的地形上迁徙数千公里，野山羊可以爬上真正的悬崖，找到似乎根本不存在的立足点，蟑螂可以失去一条腿而不会放慢速度。”“我们没有机器人能够拥有这样的耐力、敏捷性和稳健性。”

动物还有另一个巨大的优势：时间。与过去几十年才取得真正进步的先进机器人不同，动物拥有数百万年，在某些情况下甚至是数十亿年的进化历史。研究人员指出，动物“比工程学领先很多”。另一方面，机器人以惊人的速度缩小了这一差距，令人钦佩。研究人员表示，他们“乐观地”认为机器人有一天会跑得比动物快。

华盛顿大学电气与计算机工程系副教授 Sam Burden 表示：“机器人的发展将会更快，因为进化是无方向的。与进化相比，我们在设计机器人时可以采取一些更快的方法——但进化已经取得了巨大的领先优势。”

研究人员希望这些发现能帮助未来开发跑步机器人。有了这些发现，机器人制造商可以决定将更多的时间和精力集中在组件集成上，而不是简单地制造更好、更强大的硬件。

研究人员写道：“我们从生物学中得到的教训是，虽然进一步改进组件和子系统是有益的，但改进运行机器人的最大机会是更好地利用现有部件。”