機(jī)器人通常無法跑得過動物

功率密度是衡量在任何給定空間內(nèi)可以處理多少功率的指標(biāo)。它可以量化為每單位體積處理的功率，單位為瓦特/立方米 （W/m3） 或瓦特/立方英寸 （W/in.3）. 在工業(yè)自動化中，優(yōu)化參數(shù)和上升沿死區(qū)時間有助于最大限度地減少損耗并提高功率密度。

在功率密度領(lǐng)域，本文解釋了為什么動物比機(jī)器人更擅長奔跑。

人們認(rèn)為兩個基本的機(jī)械特性將每個肌肉質(zhì)量單位描述為電機(jī)：其最大工作密度和最大功率密度。

性能差異與敏捷性、穩(wěn)健性和續(xù)航里程有關(guān)。我們必須了解導(dǎo)致性能差距的根本原因。讓我們比較一下跑步的五個關(guān)鍵子系統(tǒng)中的人工和自然技術(shù)：功率、框架、驅(qū)動、傳感和控制。

通常，工程技術(shù)的性能將達(dá)到或超過其生物對應(yīng)物的性能。

生物學(xué)比工程學(xué)具有優(yōu)勢，這源于子系統(tǒng)的更好集成。現(xiàn)在我們可以確定機(jī)器人專家需要克服的四個基本障礙。在這方面，我們重點介紹了具有巨大潛力的有前途的研究領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)椭磥淼呐懿?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/機(jī)器人">機(jī)器人實現(xiàn)動物級的性能。

從本質(zhì)上講，動物在腿部運(yùn)動方面優(yōu)于機(jī)器人。幾十年的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一個具有生物相容性設(shè)計的豐富機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)。

在這里，我們使用廣義的短語“runner”來指代動物和機(jī)器人，它們在移動時可以在四肢和地形之間使用不規(guī)則的間隔接觸?！癛unning” 也指對應(yīng)的行為，不管描述走路還是跳躍等行為更準(zhǔn)確。那么，為什么大多數(shù)動物能夠比機(jī)器人跑得更快呢？

許多動物物種能夠跑得比人類跑步者快。當(dāng)然，生物和工程跑步者的構(gòu)造完全不同。機(jī)器人是由人類和機(jī)械從宏觀尺度的離散組件組裝而成的，而動物則是由納米尺度上生長的各種結(jié)構(gòu)自然形成的。

大多數(shù)動物可以跑得比機(jī)器人快

誰能贏得機(jī)器人和動物之間的賽跑？

為了解決這個問題，美國和加拿大的一個工程師團(tuán)隊，包括科羅拉多大學(xué)博爾德分校的機(jī)器人專家和助理教授 Kaushik Jayaram 分析了數(shù)十項研究的數(shù)據(jù)。

答案是響亮的“不”。在幾乎所有情況下，生物有機(jī)體，如獵豹、蟑螂，甚至人類動物，都試圖超越它們的機(jī)器人對應(yīng)物。

“作為一名工程師，這有點令人沮喪，”Jayaram 說。“經(jīng)過 200 多年的密集工程設(shè)計，我們已經(jīng)能夠?qū)⒑教炱魉蜕显虑蚝突鹦堑鹊取５钊死Щ蟮氖?，我們還沒有機(jī)器人在自然環(huán)境中的運(yùn)動能力明顯優(yōu)于生物系統(tǒng)。

Jayaram 希望這項研究能夠激勵工程師學(xué)習(xí)構(gòu)建更好、適應(yīng)性更強(qiáng)、更靈活的機(jī)器人。

研究人員得出結(jié)論，機(jī)器人的失敗不能跑得過動物，這并不歸結(jié)為任何一種機(jī)器的不足，比如電池或執(zhí)行器。相反，工程師們可以猶豫的地方是讓這些部分更有效地協(xié)同工作。

Jayaram 的實驗室位于科羅拉多大學(xué)博爾德校區(qū)，里面有毛茸茸的狼蛛，大約有半美元那么大，還有令人毛骨悚然的爬行動物。該實驗室還設(shè)計了一款名為 mCLARI2 的獨特機(jī)器人（見圖）。

?？恕たú即臏?zhǔn)備，設(shè)置，開始！由 CU Boulder 的工程師設(shè)計的名為 mCLARI 的機(jī)器人在蜘蛛旁邊擺姿勢。

根據(jù) Jayaram 的說法，“從某種意義上說，動物是這種終極設(shè)計原則的體現(xiàn)——一個可以很好地協(xié)同工作的系統(tǒng)。

另一款機(jī)器人，受蟑螂啟發(fā)的哈佛動態(tài)微型機(jī)器人 （HAMR），長度是之前 HAMR-VI 的一半，是世界上最小、最快的機(jī)器人之一！

Jayaram 評論說，HAMR 大小的機(jī)器將能夠爬入飛機(jī)發(fā)動機(jī)或任何其他機(jī)械師無法到達(dá)的地方進(jìn)行必要的檢查。他們甚至可能在將來對人類患者進(jìn)行手術(shù)。他說：“我想制造出可以走出實驗室并像蟲子一樣四處亂跑的機(jī)器人。

蟑螂被誤解

小時候，我住在紐約布朗克斯的一棟公寓里。我們都有蟑螂要對付。

無處不在的美國蟑螂被稱為“Periplaneta americana”。這種昆蟲是成功爬入機(jī)器人研究的最可怕的害蟲之一。然而，它出現(xiàn)在許多家庭的范圍內(nèi)。

Jayaram 之前建造了一款名為 CRAM（抗壓鉸接機(jī)構(gòu)）的小型機(jī)器人。這個手掌大小的機(jī)器人由海報板和聚酯制成，具有高度可壓縮、可彎曲的腿，非常迷人，使用機(jī)械化組件來提高速度。塑料盾牌模仿昆蟲的翅膀，其可塑性的外層覆蓋了野獸的整個身體。這個神奇的機(jī)器人可以在狹窄和開放的空間內(nèi)表演。

如果蟑螂可以幫助人類（以及我們可以從它們那里學(xué)到什么）呢？

CRAM 模仿了蟑螂的主要標(biāo)志性才能之一——擠入非常狹窄空間的能力。多才多藝的蟑螂可以通過在一秒鐘內(nèi)將其身體從半英寸壓縮到十分之一英寸來執(zhí)行這種消失行為。

蟑螂機(jī)器人可以用于挽救生命的應(yīng)用，例如在搜救情況下使用它。它能夠擠過瓦礫，幫助搜救人員尋找通往被困受害者的開口。

大多數(shù)人在看到蟑螂時只會感到厭惡。CRAM 證明我們可以從世界上最獨特的生物之一那里學(xué)到很多東西。