如果你要求某人說出21世紀從麻省理工學院出來的新技術，他們很有可能將機器人獵豹命名為。由麻省理工學院機械工程系的仿生機器人實驗室在Sangbae Kim副教授的指導下開發(fā)，四足動物MIT Cheetah因其動態(tài)腿步，速度，跳躍能力和仿生設計而成為頭條新聞。

狗大小的獵豹II可以以每秒6.4米的速度在四條鉸接腿上運行，可以輕微轉(zhuǎn)動，并跳躍到60厘米的高度。機器人還可以自主確定如何避開或跳過障礙物。

Kim正在開發(fā)第三代機器人Cheetah III。Kim沒有提高Cheetah的速度和跳躍能力，而是將獵豹轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)上可行的機器人，具有更強的有效載荷能力，更寬的運動范圍和靈巧的抓握功能。獵豹III最初將作為危險環(huán)境中的光譜檢測機器人，例如受損的核電站或化工廠。然后它將發(fā)展為滿足其他緊急響應需求。

“獵豹II專注于高速運動和敏捷跳躍，但不是為了執(zhí)行其他任務而設計的，”金說。“通過Cheetah III，我們對設計提出了很多實際要求，因此它可以成為一個全能的玩家。它可以做高速運動和強大的動作，但它也可以非常精確。“

仿生機器人實驗室也正在完成一個較小的，精簡版的獵豹，稱為Mini Cheetah，專為機器人研究和教育而設計。其他項目包括名為Hermes的遠程操作人形機器人，為人類操作員提供觸覺反饋。此外，還有一項早期階段的調(diào)查，即采用類似獵豹的執(zhí)行器技術來解決殘疾人和老年人的移動性挑戰(zhàn)。

征服土地上的流動性

“通過獵豹項目，我最初的動機是復制陸地動物，但我也意識到地面移動性存在差距，”金說。“我們已經(jīng)征服了空運和水運，但我們還沒有征服地面機動性，因為我們的技術仍然依賴于人工鋪設的道路或鐵路。我們的運輸技術都不能可靠地在自然地面上行駛，甚至沒有樓梯和路緣石的人造環(huán)境。動態(tài)腿式機器人可以幫助我們克服地面上的移動性。“

有腿系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)是它們“需要高扭矩執(zhí)行器”，Kim說。“人體髖關節(jié)可以產(chǎn)生比跑車更大的扭矩，但在機器人中實現(xiàn)這種壓縮的高扭矩驅(qū)動是一個巨大的挑戰(zhàn)。”

Kim說，機器人傾向于以犧牲速度和靈活性為代價來實現(xiàn)高扭矩。工廠機器人使用高扭矩執(zhí)行器，但它們是剛性的，并且在爬升步驟產(chǎn)生的沖擊下不能吸收能量。液壓驅(qū)動的動態(tài)腿式機器人，例如Boston Dynamics的更大，更高負載，四足動物的Big Dog，可以實現(xiàn)非常高的力和動力，但卻犧牲了效率。“效率是液壓系統(tǒng)的一個嚴重問題，特別是當你快速移動時，”他補充道。

獵豹項目的主要目標是創(chuàng)造能夠在模仿動物肌肉同時實現(xiàn)效率的設計中產(chǎn)生高扭矩的致動器。為了實現(xiàn)這一目標，Kim選擇了電動執(zhí)行器而不是液壓執(zhí)行器。“我們的高扭矩電動機已超過生物肌肉動物的效率，并且比液壓機器人更高效，更便宜，更快，”他說。

獵豹III：不僅僅是一個speedster

與早期版本不同，Cheetah III設計更多地受到潛在應用的推動，而非純粹的研究。Kim和他的團隊研究了應急機器人的要求并向后工作。

“我們相信獵豹III將能夠在兩到三年內(nèi)在輻射發(fā)電廠中航行，”金說。“在五到十年內(nèi)，它應該能夠做更多的體力勞動，例如通過切割碎片并將它們帶出來拆卸發(fā)電廠。在15至20年內(nèi)，它應該能夠進入建筑物火災并可能挽救生命。“

在福島核災難等情況下，機器人或無人機是偵察的唯一安全選擇。無人機比機器人有一些優(yōu)勢，但它們不能施加開門等任務所需的大部隊力量，并且在許多災難情況下，落下的碎片會阻止無人機飛行。

相比之下，獵豹III可以將人類的力量一次施加到環(huán)境中幾個小時。它通?？梢耘郎匣蛱^碎片，甚至可以將它移開。Kim說，與無人機相比，機器人更容易仔細檢查儀器，翻轉(zhuǎn)開關和按鈕。“獵豹III可以測量溫度或化合物，或關閉和打開閥門。”

跟蹤機器人的優(yōu)勢包括能夠操縱碎片和爬樓梯。“樓梯是機器人的一大障礙，”金說。“我們認為有腿機器人在人造環(huán)境中表現(xiàn)更好，特別是在有更多障礙的災難情況下。”

與獵豹II相比，獵豹III的速度有所放緩，同時也提供了更大的力量和靈活性。“我們增加了扭矩，因此可以打開發(fā)電廠的重型門，”金說。“我們通過使用可以清晰地表達身體和四肢的12個電動馬達，將運動范圍增加到12個自由度。”

這遠遠不足以擁有600多塊肌肉的動物的靈活性。然而，獵豹III可以通過其他技術進行一些補償。“我們最大化每個關節(jié)的工作空間，以達到合理的可達性，”金說。

該設計甚至可以使用腿部進行操縱。“通過利用四肢的靈活性，獵豹III可以用一條腿打開門，”金說。“它可以站立在三條腿上，并為第四肢配備一個定制的可更換的手來打開門或關閉一個閥門。”

獵豹III具有改進的有效載荷能力，可以攜帶更重的傳感器和攝像機，甚至可能為殘疾受害者提供物資。然而，從拯救它們還有很長的路要走。獵豹III仍然限制在20公斤的有效載荷上，并且可以以最小的有效載荷不受限制地行進四到五個小時。

“最終，我們希望開發(fā)一種可以拯救一個人的機器，”金說。“我們不確定機器人是否會攜帶受害者或攜帶攜帶裝置，”他說。“我們目前的設計至少可以看出是否有任何受害者，或者是否有更多潛在的危險事件。”

嘗試人機交互

半自主的獵豹III可以自行制定走動和導航?jīng)Q策。但是，對于災害工作，它主要通過遠程控制進行操作。

“完全自主的檢查，尤其是災難應對檢查，將非常困難，”金說。在其他問題中，自主決策通常需要時間，并且可能涉及反復試驗，這可能會延遲響應。

“人們將控制獵豹III的高水平，提供幫助，但不處理每一個細節(jié)，”金說。“人們可以告訴它去地圖上的特定位置，找到這個地方，并打開那扇門。當談到手部動作或操縱時，人類將接管更多控制并告訴機器人使用什么工具。“

人類也可以協(xié)助更多的本能控制。例如，如果獵豹使用其中一條腿作為手臂然后施加力，則很難保持平衡。Kim正在調(diào)查人類操作員是否可以使用“平衡反饋”來保持獵豹在施加全力時不會摔倒。

“即使站在兩三條腿上，它仍然能夠執(zhí)行需要復雜平衡的高強度動作，”金說。“操作人員可以感受到平衡，并幫助機器人改變動力，產(chǎn)生更大的力來打開或敲門。”

仿生機器人實驗室正在與另一個名為Hermes(高效機器人機制和機電系統(tǒng))的機器人項目探索平衡反饋。與Cheetah III一樣，它是一個完全鉸接的動態(tài)腿式機器人，專為災難響應而設計。然而，愛馬仕是兩足動物，完全由一個戴著遠程呈現(xiàn)頭盔和全身套裝的人進行遠程操作。與愛馬仕一樣，該套裝配有傳感器和觸覺反饋裝置。

“運營商可以通過使用體重或直接實施更多力量來感知平衡狀況并作出反應，”金說。

使用Wi-Fi很難實現(xiàn)這種親密實時反饋所需的延遲，即使它沒有被墻壁，距離或無線干擾阻擋。“在大多數(shù)災難情況下，你需要某種有線通信，”金說。“最終，我相信我們會使用增強型光纖。”

改善老年人的流動性

除了災難響應之外，Kim還設想了敏捷，動態(tài)腿式機器人在醫(yī)療保健方面的重要作用：改善快速增長的老年人口的流動性。眾多機器人項目正在通過健談的社交機器人瞄準老年人市場。金正在想象一些更基本的東西。

“我們?nèi)匀粵]有一種技術可以幫助受損或老年人無縫地從床上移動到輪椅上，然后再回到車上，”金說。“很多老人起床和爬樓梯都有問題。例如，一些有膝關節(jié)問題的老人在平地上仍然很漂亮，但無法獨自爬下樓梯。這只是他們需要幫助的那一天的一小部分。所以我們正在尋找一些重量輕，易于使用的短期幫助。“

他說，Kim目前致力于“創(chuàng)造一種可以使執(zhí)行器安全的技術”。“我們在獵豹中使用的電動執(zhí)行器已經(jīng)比其他機器更安全，因為它們可以輕松吸收能量。大多數(shù)機器人都很僵硬，這會造成很大的沖擊力。我們的機器給了一點。“

通過將這種安全的執(zhí)行器技術與一些Hermes技術相結(jié)合，Kim希望開發(fā)出一種可以幫助老年人的機器人。“機器人不僅可以解決老年人護理的預期勞動力短缺問題，還可以解決保持隱私和尊嚴的需要，”他說。