仿生機器人之父Mark：從生物學中學習製造機器人

5月16日下午，全球仿生機器人的奠基人、美國兩院院士Mark Cutkosky在第四屆中國機器人峰會上作了關於Biomimetic Robot的報告，分享了他對於仿生機器人領域的深刻認知，並通過大量精彩的實例，讓我們認識到所謂仿生不是簡單的拷貝，或許我們將從中得到啟示，去發明更多各種各樣的機器人！

以下是報告全部內容：

各位下午好，非常高興來到中國進行演講。我們峰會的主題就是要理解下一代的機器人，特別是下一代的製造機器人。其中有一點，我想說服大家的就是我們看一下下一代的機器人，機器人其實是超越工廠，進入到我們家裡，進到我們車裡。我們會發現，我們可以學到更多的教育。

一、從生物學中能學到很多

從生物學當中可以學到很多，動物非常擅長對這種不確定性有很好的反映，特別是對周邊確定環境，我們可以從動物當中學到很多。

我的實驗室最好的畢業生，加利福尼亞一個教授，生物學家，他就是研究壁虎機器人的。當然在工業製造當中，壁虎機器人不是很擅長，但是其他領域，壁虎就可以大顯身手，在很多地方進行協作。

談到仿生的機器人時候並不是抄襲自然，有一些理由的。首先人類自己並不是優化的，並不是一個工程，而自然往往會選擇什麼是可以最好的。所以我們其實就是從自然當中要挑出一些原則、原理，然後把這些原則原理進行改造，用在機器人身上，其實也不是100%仿造自然。

接下來介紹一些我們的仿生學的機器人或者生物靈感機器人。在自然當中，這些動物或者這些有機體是非常複雜的，比如它的腿或者手臂非常複雜，它們有肌肉。

有一點它非常擅長，它能夠簡化所有的對複雜系統的控制，所以它們的行為習慣很簡單。還有一個就是所有的動物，它必須要很好地管理這個能源，或者節約能源很強，如果你不能夠很好地控制能源的話，你會餓死。

第三點就是用多功能的材料，有多個目的的材料。在這裡我想說的一點，對於製造業4.0，我們要思考的，是在使用機器人的時候用一種新的不同的材料。順便說一下，這對我們是機會，我們需要使用新的材料，我們需要新的製造過程。

最後，它們並不是在環境當中生存，而是和環境進行互動的。非常有意思，還有KLOD，他也是另外一個合作教授，他研究壁虎為什麼能夠在牆上爬來爬去。這是一個非常複雜的體系，這裡有一些特性，比如有厘米級、毫米級的，還有像微米級的，有非常小、僅僅幾納米的結構。

我們並沒有哪個製造工藝可以達到這麼精細，但是自然可以做到。因為自然開發了這樣的生物體，一個細胞、一個細胞進行分裂造成的。對我們來說，我們每一次有這樣的屬性，比如說毫米、納米，還有納米，我們需要另外一個製程達到這樣的精細度，都是非常巨大的挑戰。

二、智能與物理結構

本次峰會的一個主題是人工智慧，新興的人工智慧。我們要記住在自然過程當中，智能絕對是沒有和物理結構分割的，它們是組合在一起的。例如機械昆蟲，有很多感測器、神經系統可以進行響應，有控制系統，最低級的其實也是充分利用了物理結構的機械性能。所以呢，這種智能和機械系統在自然當中，不是分離的，而是集成在一起的。

我們使用的快速成型的技術。這是一個典型的工藝，當然還有其他工藝。我再次解釋一點，就是我們的製造4.0或者工業4.0，需要思考新的製造的過程，有不同的材料通過這樣的工藝可以做到。

另外一個例子就是一個BOB的實驗室，是蟑螂的一個腳。

關於昆蟲，你把它腿拔下來，它也可以工作。這個是機器人的腿，一個塑料。粉紅色的是比較軟的有彈性的塑料，看上去並不是像蟑螂的腿那樣，但是我們確實讓它有相同的動態的功能。比如說有的地方的剛度，或者它的能量的釋放係數，使得我們機器人在跑或者越過障礙的時候像蟑螂一樣。可以看到這是我們的一些機械智能，還有我們控制的智能。

三、仿生機器人發展現狀

我們現在達到什麼地步呢？我們知道有不同的機器人。一開始這種機器人，能夠飛來飛去，拍照片，或者是有輪子在下面，在地上爬來爬去，或者有超聲感測器建立地圖。它們其實不是互動性的，和環境沒有互動，因為互動是有風險的。我們開始碰上環境的話，一定會遇上問題，可能有磨損或者是壞掉。他們叫做這個非觸碰機器人。

這是一開始，後來人們更加大膽，學到了更多。我們可以去將機器人引入世界。有一些機器人，它們是和環境有非常親密的接觸。它們爬到牆上，飛行。並不是不要碰到這個東西，它們其實故意棲息在這個牆上或者障礙物上。我們想像一下，小的動物飛行的時候經常棲息，有的時候包括我們一些空間如何去進行一些比如抓捕的工作。

四、爬行機器人的發展

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動物給仿生的啟示

當然每一次我們都會有非常多的模擬和建模的工作，希望能夠和環境進行互動。所以我們現在做了好幾次了，舉例來說，這是做的關於壁虎機器人的粘性的。

這是仿生機器人。我們原本是以一個挑戰開始的，我們觀察了自然當中動物怎麼進行在牆上攀爬的。比如一個蝸牛，它可以爬在牆上，但是它不是非常的敏捷，它是比較的慢。

當然壁虎是非常快的，它可以每秒達到1米行動速度。所以這是一個很好的例子。然後我們就會跟生物學方面的專家進行溝通，從跨學科的角度向他們學習是如何發揮作用的。然後我們做出了一些假設，哪些可能對爬行動物比較重要的，對壁虎來講是非常複雜的系統，所以我們必須進行簡化。我們提出了一些想法，哪個部分對我們來講最重要的，然後生成，進行製造，生成柔性的機器人做這樣的爬行的工作。

當然了，我們有的時候，在第一次往往不一定能夠做到最後，有的時候不好的話，我們要不斷地進行修整。這是我們最終的粘性機器人，仿生機器人到了第三代了。

另外要考慮的，就是觀察動物的時候，非常有趣的一點，在不同類別的動物當中有同樣的原則。你想像一下爬山的動作，有不同的表面，你希望能夠在上面進行攀爬，有的時候比較硬或者比較軟。不管這些壁虎，還是松鼠，在右下角大家看到有一個松鼠，從某個人的廚房裡面爬出來的，嘴裡面還有食物，它在向下攀爬。對動物來講，不同的表面他們有不同的解決方案。

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精彩的壁虎之力

如果你觀察一下壁虎，大家可能都記得的，它是有一個足間有粘性的裝置，還有爪子。這個爪子是可以很好地和硬質的磚頭表面進行抓合。而且還有一些刺毛。

這是我剛才所說的非常重要的一點，就是讓我們考慮一下，對於它們來講最重要的原則是什麼，從壁虎角度來講非常典型的一點，我們可以觀察到，通過不同的溝通之後，我們會覺得需要能夠根據不同的尺度的表面進行一個契合，有一個層級的契合度，因為它可能是很精彩的力。然後它可能在這個表面，有分子層面的契合度。

第二個我需要有幾頁PPT，講到關鍵的點就是定向膠粘劑，壁虎的膠粘劑有定向的，而且可以控制的。所以我們會花了很多的時間構建了一個微級的結構，它可能有同樣的定向的結構性的能力，在幾分鐘之後我會提到。當你確實有了這樣的系統，能夠跟不同尺寸的表面進行契合之後，這個時候需要有一個控制的戰略，根據機器人可能釋放的力量，有個分布力的控制。像壁虎的腳指頭一樣，可以以厘米的層級控制它的力量。我們在這裡以微米以及納米的級別實行不同級別上對力量的控制。

就是這頁PPT，我同事，他是生物學家，他對我們進行數據的生成，從壁虎的視角進行了分析。在它的垂直軸是粘附力大小，橫軸是粘附的時間。但是定向的時間，對壁虎足間的粘附力有一個正向力，方向錯誤的話不會有太多的粘附力。這個時候，像這樣的材料，這個材料不像我們膠帶一樣一直是粘的，在想要它粘的時候才能夠粘，這是我們想要的屬性。

這頁PPT，給大家展示一個例子更好一些。我沒有帶機器人來，但是有一些材料，這是我們有壁虎的材料，看上去不粘。如果把它進行載荷，如果有一個剪切力施加表面的話，它就可以很輕鬆抓起一個足球。它不是一個膠帶，如果不載入剪切力一點都不粘。

這對於一個爬行機器人有很多好處，我們是否可以生產呢？有的時候我們在想一個問題，我們有一個和電器公司進行機器人的生產。

五、粘附力與控制

我們以更科學的角度解釋一下，從縱軸來看我們有一個力，橫軸是我們剪切力，這是跟表面平行的，所以我們可以看到我們在這裡，當我把材料向上推的時候，這個時候，我不會有任何的粘附的作用。可能看上去像摩擦力一樣的。

摩擦力沒有什麼壞處，摩擦力可以讓我們汽車的剎車起到作用。摩擦的好處是可以控制，如果你在剎車上踩更猛一些你有什麼結果？這個汽車更快停下來，如果非常輕鬆踩下剎車呢？剎車的速度更慢一些，時間更長一些，可控就是這個因素。如果是正常運用的話，它的摩擦力是一樣正常的。

這個在我們日常生活當中非常重要，不用想也知道了。但是想像一下，這個粘附力也一樣，如果我有比較大的切向力能夠向下拉的話，就會產生很大的粘附力。如果沒有任何的切向力，輕輕碰一下，這個時候粘附的效果比較小，會很快剝離開來。幾分鐘之前可以看到足球就是這樣，慢慢放下剪切力的時候就自己慢慢斷開了。這是意味著我們有一個安全區，這個安全區讓它粘附作用發揮效益。

在這裡還有幾頁PPT，涉及到如何控制的問題。非常有趣的，有的時候，結果看上去不言自明，但是我們做爬行機器人的時候，可能它的前肢比較好的，會防止它向後仰掉下去。我們最初出發點就是強化它的前肢，把前肢進行輕度的載荷，不讓它失效。但是我們對於壁虎的機器人，壁虎自身作用率，你發現他的前肢，它們往往大部分的時候是失效的，因為它們在安全區域，藍色的腿比較安全一點。

我們優化的策略就是應該在這個上肢更用力一些，因為更用力的話有更大的粘附力。可能對人來講我們做不到這點，因為我們前臂沒有我們腿來得有力。最起碼可以讓我們有檢驗的假設。什麼假設呢？壁虎就是它是否可以會在前肢有更大的作用力呢？根據理論來講這是比較好的想法，這樣會生成更大的凝聚力或者粘附力。

我們檢驗一下，從上部分來講，展示了它的前肢和它的前向後和側向的用力情況。你可以看到四肢，比如在左側、左前和右前，比後肢更有力一些，在正常方向來講可以看到它的一些前腿，更多的是控制它的身體不會向後仰。對後也是有一個推向，有一個向上的剪切力。

這個左側和右側，壁虎向自己身體靠攏，這樣有很好的吸附力。壁虎有時候爬在天花板上，必須要能夠左右向地去收緊它的肢體，這樣能夠產生向上的拉力不會讓它從上面掉下來，這是一個照片，我們看一下它的後腿做什麼。就好象松鼠一樣，必須要向後，否則的話它就會掉下去。

除了摩擦力之外還有什麼好處？摩擦力和吸附力可以進行比較，我有多大摩擦力這取決於我重量多少，如果我是大象比較好，如果我是非常小的生物，對我來講摩擦力不是太好。大部分的昆蟲，它們其實重量非常輕，但是它們能夠有很大的載荷可以背在自己的身上，這個不是因為它的摩擦力多少，而是它的吸附力多強。

我們想像一下小型機器人，它們可以有效做一些工作，我們必須給很好的吸附力，而不是用摩擦力讓它們可以有載荷的承擔。吸附力跟區域的面積相關，而不是跟體積相關。

六、仿生粘附力的應用

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粘附力在重物拖行的應用

這裡有一個小的視頻，我播放一下，看看螞蟻怎麼在線纜上爬行的，它們每一次在提起腳的時候都有腳脫離，然後再放上去，它們可以非常快速的方式以很快的一個可控的粘附力在電纜上走。如果你很小的話，你可能很好地應用這個吸附力，如果你無法關閉這個吸附力，你將會粘在電纜上。我們人的吸附力比較好，可以快速地開和關，控制這樣的吸附力。

還有一個非常有趣的事情。就是實際上，它會有不同的方向，如果你用吸附力的話，會有不同的電機用到我們機器人當中，因為載荷和去載荷可能有的時候需要一定的工作。所以，我們想像一下，我們的一些糾正器，像微型機器人，它實際上不會很好地適合我們這裡的機器人。我們需要的是有非常長的衝程。

再說到小型機器人，它將會有更高的效率。所以它的每一隻腳只有幾微米的樣子，如果你有很小的機器人，你有很長的行徑路程的話，你怎麼使用它，我們這就有一個概念，叫做微型拖船。我這裡有一個播放的視頻，我希望音頻能夠聽得出來。

（視頻播放）

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粘附力在太空中的應用

非常好。謝謝。展示了一個小型機器人如何拉動大東西，除此之外我們壁虎粘附力還有什麼應用？

還有太空。不僅僅在美國，同時在中國也有非常多的對太空探索的願景。對於壁虎的吸附力來講，很好的應用就是在太空當中進行抓捕。你可能在真空中不能用真空吸附，因為是很高的溫度或者很低的溫度，大部分的材料，想抓的都不是磁性。因此大部分要輕輕碰上物體進行加固以後抓回來，而不是說把它們一下子打到另外一個飛行軌道上，你再也看不到它了。

還有在航空站、空間站中控制我們的物體，另外一個在空間站之外，要在太空當中抓捕某些物體。我們可以到現在可以看到一些垃圾圍繞地球，可能這個會越來越危險，我們必須搜集這些太空垃圾，放到一個安全軌道當中，不要影響我們未來的勘探工作。我們第一個應用就是清理軌道的飄浮物，但是這個比較困難，因為它本身不能抓捕，而且有自我旋轉的方向。所以這個時候很難抓住固定。如果用壁虎，有這樣的抓手，可以很快地抓住。

我有一個視頻可以直觀地展示一下我們目前在它的開發過程當中是走到哪一步了。我們有一些抓手，現在是和我們的實驗室進行合作，這張照片顯示了零重力飛行項目當中，我們可以由一個拋物線的軌跡，我們會有15秒鐘的一個所謂的零重力的時間，然後往複運轉，這個能很好地解釋你懸空的情況。有的時候他們吃完葯還會噁心不行。我們會有一個視頻，希望給大家播放一下。

大概的意思就是地球附近有非常多的垃圾，包括一些無用的退役衛星，它們將會是造成很大的一些損傷。所以我們需要能夠在零重力的環境之下進行清除。對於壁虎來講，它的一個吸附力，將會是應用在把一些太陽能板或者其他的材料在真空的情況下進行抓附，這是很好的應用場景，清除這樣的垃圾。

然後我們進行了一些圓形的設計，這些就是不同的機器人。在美國航空實驗他們也進行了實驗，希望把400公斤的機器人和另外一個400公斤的機器人進行壁虎式的抓附，把另外一個機器人拖走，很成功，這個機器人很成功地輕輕一碰就把另外一個機器人抓住了。

這個不會太影響既定的飛行軌跡。因為只是輕輕的一碰就可以吸附上。這個有不同的抓取表面，在零重力的實驗室當中他們就會進行這樣的實驗：抓了一個小箱子，而沒有對小箱子的既定飛行軌跡產生改變。

這跟傳統的情況有點不同。然後它的偶聯和解耦非常輕的，不需要有太大的外力，他們也進行了一些概念的驗證。在這種情況下，對於物件的方向控制非常容易。在今年早期的時候，他們在國際空間站做了一些實驗，有的物件原來在天空中飄來飄去。我們現在可以通過吸附裝置粘在牆上。

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粘附力在無人機的應用

還有一個例子給大家看一下，我們待會兒可以做一個總結。這是四旋翼的飛機和無人機的例子。很多無人機的應用，比如說拍攝照片，或者是進行監控或者是繪圖，飛來飛去都不會碰上物體，我覺得它們應當碰到物體，然後停下來再次起飛，這樣確確實實能夠節約大量的能量，把螺旋槳停下來可以節約很多的能量，這是自然當中的一個啟迪。它在飛，然後停下來，吸在牆上。然後再次起飛，這樣可以大節約能量。

接下來給大家看一下，它為什麼要停在這個表面呢。它停下來，我們要考慮各種各樣的大風形成，首先是一個小型的四旋翼的飛機，還有一些其他功能，就像一個昆蟲一樣，讓它能夠爬行。我們也會增加一些重量，增加它的慣性，增加它的優勢。很多的小型機器人一般飛行20-30分鐘就沒有能量，如果停下來的話可以停很長時間。然後再次起飛，這裡不會再具體說了。

我們看一下，把它的任務時間大大增加了，省下很多的能量。當然這個結果還不是最優的。最低功率的螺旋槳，作用非常顯而易見，如果你停下來的話，你的能源消耗比飛行時候更少。還有另外一個，我們要找到很好的著陸點，一個牆上很好的著力點，有的時候很難找到好停留的地方。我們決定在垂直表面進行實驗，如果在垂直表面停下來，我們要爬行重新定位，得到更好的角度。如果下雨的話就躲在屋檐下面，等一等或者充電再次起飛。

第三點，非常有意思。這一點，我在開始的時候並沒有意識到。我們其實可以把爬行和四旋翼組合在一起，我們其實可以更加勇敢一點，爬上這個牆，如果哪怕失敗的話也不是什麼大事，我們可以再次爬，這是生理學非常好的靈感，有一些鳥用翅膀幫助它們爬行，特別是在懸崖或者樹上它們用翅膀攀爬。還有昆蟲，有非常小的一個刺，這個小刺能夠卡在粗糙的地方，這個非常小。

我們可以計算一下，如果有一些小小的突起，我們可以由小刺扣在上面。如果滑行的話，可以馬上給出一個螺旋槳的推力。我們還有各種各樣的參數的和一些簡單的演算法，有的時候這種智能的行為習慣，會來自於一個非常簡單的控制器，簡單的系統和非常複雜的環境進行互動。我最後一張幻燈片，有一些總結。

如果你讓其中一個小的機器人，比如再牆上爬行，你會想到一個昆蟲，或者是和人、世界進行互動。確實有點像動物，思考一下這個機器人，並沒有非常複雜的微處理器，比你手機的微處理器力量更小一點。但是你並沒有把你的手機看是成動物。像DALES，是三星的，你認為它是動物？不是，也許有人說手機像一個動物，有點像一個寄生蟲，因為它利用我們在週遊世界。其實它有更多的計算能力，它有更多感測能力。

我要提醒大家的是，我們要把機器人從一個非常容易控制的製造環境引入我們家庭或者汽車裡面，或者照顧老人，來打理更多的應用的話，就要從生物當中學到更多。我們用比較軟的新材料，需要一個嶄新的製造工藝。記住，像我們的壁虎的這樣的粘帶，是非常小的特徵。今後我們怎麼製造出這麼小的粘膠帶，是要好好思考的。我們需要有這樣的機器人，能夠應用很好的空氣動力學，這是一些我們的背後工作人員照片。謝謝大家認真聽講。

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