迪克式科幻机器人（像珍珠鸡一样起跳）
迪克式科幻机器人（像珍珠鸡一样起跳）航天工程师到自然界给机器人找了两只鸟儿做老师，一只是珍珠鸡，平时在地面上跑跑跳跳，遇到危险时不用助跑，能直接起飞。另一只是雪鸽，栖息在树上，直接从树枝上起飞。遇到困难，到自然界里寻找解题答案是个好办法。人类技术从工业革命发展到现在，经历了不足300年的时间，而生物界已经历经长达38亿年的试错优化。自然界远远走在我们前面，是我们最好的老师。上图是波士顿动力公司的机器人走在崎岖不平的石头路上。英国曼彻斯特大学的航天工程师，正在研制新一代火星探测器，用两条腿机器人取代目前使用的6轮探测器。研发过程中，团队遇到了一个难题，机器人起跳的角度范围太窄了。如果以固定姿势起跳，机器人身姿很稳，连后空翻都能做到。但在奔跑中身体前倾时起跳，腾空后经常会摔倒。垂直起跳没问题，跑跳有缺陷，怎样能加大机器人的起跳角度，让起跳姿势更加灵活呢？
两条腿的机器人，相比6只轮子的机器人，有什么优势？
最大的优势是，迈步走的机器人适应更加复杂的工作环境，在废墟沼泽密林中，能像人类一样爬高上低，跳跃攀爬。
双腿机器人可以去到轮子机器人去不了的地方，工作范围大大扩展了。它可以在艰难环境下进行救援工作，比如地震后，在钢筋混凝土堆积的废墟里搜索。或是洪水过后，在遍布杂物的泥泞中跋涉。双腿机器人还可以在复杂地形中进行日常工作，比如在核反应堆里穿越设备障碍进行取样检测，或是在地形复杂的陌生区域实地勘察测绘。
地形越复杂，腿的优势越大。
上图是波士顿动力公司的机器人走在崎岖不平的石头路上。
英国曼彻斯特大学的航天工程师，正在研制新一代火星探测器，用两条腿机器人取代目前使用的6轮探测器。研发过程中，团队遇到了一个难题，机器人起跳的角度范围太窄了。如果以固定姿势起跳，机器人身姿很稳，连后空翻都能做到。但在奔跑中身体前倾时起跳，腾空后经常会摔倒。
垂直起跳没问题，跑跳有缺陷，怎样能加大机器人的起跳角度，让起跳姿势更加灵活呢？
遇到困难，到自然界里寻找解题答案是个好办法。人类技术从工业革命发展到现在，经历了不足300年的时间，而生物界已经历经长达38亿年的试错优化。自然界远远走在我们前面，是我们最好的老师。
航天工程师到自然界给机器人找了两只鸟儿做老师，一只是珍珠鸡，平时在地面上跑跑跳跳，遇到危险时不用助跑，能直接起飞。另一只是雪鸽，栖息在树上，直接从树枝上起飞。
鸟儿不是应该教我们怎样飞吗，为什么要跟它学习怎样跳呢？
因为起跳，是起飞之前最关键的一步。
起飞，是整个飞行过程中最消耗能量的阶段。鸟儿离开地面飞上天空，必须要有一段爆发性的力量支撑。起飞时，鸟儿利用地面支撑进行跳跃所消耗的能量，远小于利用空气动力进行拍动翅膀所消耗的能量。也就是说，起飞时的跳跃比拍动翅膀更有效。
跳起来再飞，鸟儿腿部发力起跳，起跳速度越快，动力越大，越能有效地减少翅膀在起飞时的负担。很多鸟儿，从地面静止状态直接起飞时，准备过程中张开翅膀却不扑腾，当跳起来爪子离地后，才开始扇动翅膀。珍珠鸡就是其中一种，只要爪子不离地，坚决不扑腾翅膀浪费力气。
珍珠鸡（Guinea fowl），跟家鸡一样，天天在地面上刨食吃。它的主要运动是奔跑，只有受到惊吓要逃命时，才想起自己有双翅膀，可以飞。英国利兹大学团队，给珍珠鸡搭了个起跳的箱子，从箱子上腾空飞下的珍珠鸡能够获得肥大的虫子作奖励。在美食的诱惑下，珍珠鸡愿意经常过去飞一飞，视频录下了珍珠鸡的起飞动作。
上图是按照珍珠鸡起飞视频绘制的示意图，鸟儿在起跳之前有一个深蹲过程，曲腿蹲下，到达最深的蹲伏点后开始起跳。张开翅膀，提升身体，弹跳，脚趾用力蹬离地面。
起跳过程可以分为两段，第一段是深蹲准备期；第二段是起跳期，从重心最低点开始，到脚趾离地结束。深蹲准备时间为400毫秒，起跳时间比准备时间要短得多，130毫秒。
测量数据证实，翅膀并没有为珍珠鸡的起飞提供动力，起飞时所有的力量都来自于腿部肌肉。鸡腿给身体提供了垂直向上的力，最大值等于5.3倍体重。腿部肌肉经过了一段能量积蓄的准备期，让珍珠鸡在起跳时有了份远超平时活动用量的爆发能量。积蓄了能量的起跳，腿部肌肉输出功率高达800 W/kg。[头条-法兰西is培根-未经授权请勿转载其他平台]
现有机器人的起跳幅度范围很窄，学会了珍珠鸡的起跳姿势，机器人的起跳角度能够增加。或者说，机器人不用再直上直下僵硬地跳，它能够做到在奔跑中身体前倾时起跳，身姿更灵活，还不会跌倒。
在机器人学习起跳姿势之前，先简单介绍一下双腿机器人在运动中的稳定性控制。用最常见的走路来举例，机器人的走路姿势分为静态步行和动态步行两种。
静态步行时，机器人全身各部分移动幅度小，步态稳定，只需要关注重心在地面上的投影点，就能控制整体稳定性。重心投影用于静态步行的稳定性度量。
动态步行时，重心位置和加速度大小随时变化，不容易控制，这时关注的数据是压力中心（CoP Center of Pressure），具体指地面法向反力的合力作用点。压力中心点用于动态步行的稳定性度量。
上图是机器人起跳的示意图，身体向前上方45度处加速。图上共有4个点，身体上的G点代表重心。地面上有3个点，A点是前脚趾，C点是脚后跟，空心三角形顶点P点是压力中心点。图2中，重心G点的地面投影超过了前脚趾A，但压力中心点P在脚掌内，机器人不会跌倒。机器人继续向前方加速，图4中，压力中心点P超过了前脚趾A，机器人的脚跟离地了，它会向前跌倒。
当机器人的压力中心点超过脚掌范围后，身体失去平衡，在还没起跳之前就先踉跄两步 。但是，同样情况下，珍珠鸡能保持身体平衡，继续完成起跳过程。
- 机器人从珍珠鸡身上学会的第一条经验是：起跳时不用翅膀，全靠腿。
第一条经验说起来很简单，但对机器人设计来说意义重大，没有了翅膀动力的参与，整个起跳过程可以简化为两个部分，身体和腿。向珍珠鸡学习起跳，只要学会了珍珠鸡起跳时的发力方式，机器人就能做到以同样姿势起跳不跌倒。
上图是珍珠鸡简化以后的起跳示意图，一个身体加上一双腿。
- 机器人从珍珠鸡身上学会的第二条经验是，起跳时除了腿部发力外，还要仰头。
上图是珍珠鸡的起飞示意图，当珍珠鸡的压力中心点超过脚掌范围后，并没有跌倒，原因是珍珠鸡在起跳时，除了腿部提供向前上方加速的力量外，它还仰起了头。抬头挺胸的珍珠鸡给身体加了一个俯仰力矩，这个力能让珍珠鸡在压力中心点超过脚掌范围后，依然保持身体平衡不跌倒。
给机器人加一个俯仰力矩后，它的起跳幅度范围也能扩大。调节俯仰力矩和腿部用力方向，可以大幅度增加机器人的起跳角度。
上图是机器人向珍珠鸡学会了仰头挺胸，给身体加个俯仰力矩（图中紫色箭头）的示意图。在图3处，机器人的压力中心点P超过了前脚趾A，但是它稳住了身体，没有像以前一样踉跄。
学会了地面起跳之后，机器人把目光投向空中，向雪鸽学习树枝上起跳。
上图是雪鸽（又叫钻石鸠，Geopelia Cuneata）起飞的动图，雪鸽起飞跟珍珠鸡类似，先蹲下，接着腿部发力提升身体，张开翅膀做准备，在爪子离开树枝之前，雪鸽不会扇动翅膀。
雪鸽起飞跟珍珠鸡相同之处是，起跳时它们都有仰头，抬头挺胸的鸟儿，给身体加了一个俯仰力矩。不同之处在于，雪鸽抓住树枝的爪子，给身体另外加了一个扭矩。加了扭矩的起跳更加灵活，从树枝上起跳的角度比从平面起跳增加了45度。
从空中起飞比地面起飞省力得多，鸟儿从树枝上跃入空中，可以利用重力来加速。有了空中加速的优势，同样的起飞，雪鸽腿部提供的力量比珍珠鸡的要小得多。
机器人跟雪鸽学习树枝上起跳有什么用处？用处很多，比如我们可以在无人机上加一双爪子。加了爪子的无人机能够自由栖息在树枝，或者阳台栏杆上。从空中起飞，比地面起飞消耗更少的能量。
机器人向珍珠鸡学会平面起跳后，走在崎岖不平的路上更有自信了。自从双腿机器人问世以来，经常摔跤是它的最大难题之一，解决了摔跤问题，接下来的路机器人能走得更快。或者更进一步，加上一双翅膀，机器人还能像雪鸽一样从空中起飞。
上图是波士顿动力机器人在跑跳高台。
生物的秘密不仅仅局限在精巧的身体构造，新陈代谢的自我运行。我们还能学会像珍珠鸡和雪鸽一样的运动发力技巧。
技术设计的核心正是把复杂的生物运动简单化。看似各个关节肌肉密切配合，复杂灵动的起飞过程，可以简化到只用一个运动方向，加一个俯仰力矩就能表达。简化的背后是运动的本质，生命跟技术秉承了同一宗旨：节约能量。花最少的精力完成最大的任务，这是生命最好的运动方式，也是技术上做出最高效机器人的精华所在。
期待早日面见未来能跑能跳还能飞的机器人。
#2019生机大会# #科学有意思#
参考资料：
1： “A dynamics and stability framework for avian jumping take-off”，by Ben Parslew et al.，Royal Society Open Science 2018
2：“Performance of guinea fowl Numida meleagris during jumping requires storage and release of elastic energy”， by Havalee T. Henry et al.，Journal of Experimental Biology 2005
3：“Transition from leg to wing forces during take-off in birds”，by Pauline Provini Journal of Experimental Biology 2012
4：https://www.bostondynamics.com/，波士顿动力机器人动图素材取自原视频
5：“Stability and dynamics of avian jumping take-off”， by Ben Parslew， 2018
附：今天更新自然界里的秘密系列文章，这是第16篇：跳起来飞。
