狗年说狗 四足机器人未来会成功吗？

今天是除夕，是辞旧迎新的日子，按照农历生肖，明天我们就将迎来又一个狗年。在这个比较轻松的时刻，我们也来聊聊相对比较轻松的一组新鲜事物——机器大狗。

如同电脑是个人电子计算机的简称一样，机器大狗也是一个流行的通俗代号，用来泛指那些四足高平衡性机器人。从美国著名的波士顿动力公司开始，包括麻省理工、中、韩多所大学和科研机构都为这种形态的机器人付出了巨大的心血。

从多年来累积的演示来看，这种多足机器人已经发展到了相当成熟的地步，在平衡性上显得尤为令人感到鼓舞。在相关的视频介绍中，成熟的机器大狗不但可以姿态自然而稳健地快速奔跑、纵跃，遭遇横向、纵向外力的干扰也能自动调整重心和步伐维持运动方向和姿态。在一些更为夸张的演示中，工作人员用暴力对其进行击打，也未能干扰他的工作。

机器大狗这套体系最初来源于美国军方的一套作战设想——开发多足机器人以伴随步兵进行负重作业，兼顾一些战场辅助任务。不过，虽然这种构型的机器狗已经开枝散叶，各国开发起来型号数量蔚为大观，但美国军方自己却取消了相关的发展计划。

那么，四足机器人为什么会被叫做“大狗”？这种构型的机器人有什么积极价值又有什么前途呢？

向犬科学习的仿生学？

从生物学上来讲，我们常见的家犬和灰狼是同一物种。狼则隶属于脊索动物门——脊椎动物亚门——哺乳纲——真兽亚纲——食肉目——犬形亚目——犬亚科——犬属。所有的食肉目哺乳类动物在新生代早期的古近纪都有相近的共同祖先，食肉目成员相比其他哺乳动物成员最主要的特征在于具备食肉裂齿，身体结构向着敏捷方向发展。

食肉目中，猫形亚目中的大部分走向了纯肉食食性，颅骨和吻部偏短，前肢前爪发达；犬形亚目在食性上更加偏向杂食一些，多数具备较长的颅骨和嘴，具体到犬科来说千爪前肢并不发达，身体的柔韧性也要差一些。

我们所说的机器大狗，是人造产物，并没有装备什么武器，很多版本甚至忽略了头部，谈论食性没有太大的意义。之所以叫做“大狗”最具决定性的因素还是源于狗在人们眼中的特殊亲近地位，当然机器大狗在重量和体积方面也确实接可以说成是略大的狗。目前最大的北美灰狼极限个体约75千克体重，犬科历史上最大的恐狼和黄昏犬也与此大概相当，而机器大狗的体重下限与此相当，上限大概翻倍，距离其它大型哺乳动物还有相当的距离。

机器大狗或者没有脊柱，或者身躯相对僵硬，波士顿公司和许多大学研制的大狗主要参照了哺乳动物共有的四肢关节特征，却没有在很有代表意义的足部结构上下大力气研发，很多产品的脚直接被是设计成了球形棒槌。从这个角度上来讲，美军和部分媒体管这种类型的产品叫做机器骡其实也非常有道理。

不过，麻省理工大学最新研发的“猎豹”机器人却接近复刻了部分食肉哺乳动物的“趾行”性结构。有别于人、大象等的跖行足部，也不同于骡马等的蹄形结构，趾行结构能够充分发挥四足动物在安静和速度等方面的优势，是很有代表性的特征。麻省理工大学的这款猎豹机器人还设计了非常严谨的脊柱系统互动参与到运动系统中，考虑到猎豹是猫科动物中仅有的无法伸出前爪的类型，这款机器人的仿生设计还是非常到位的，当然也收获了目前“大狗”中最快的速度——约36千米/时。

平衡构造的价值与前途

机器大狗最主要的开发公司波士顿动力后来成为谷歌旗下的一部分，虽然他们新奇的产品总是能够登上科技甚至娱乐版面的显赫位置，但总的来说发展形势并不好。机器大狗最初缔造的源泉之一——美国军方也对此接近放弃，这个构型的机器人目前实用价值确实不高。

机器大狗的特点在于自身的可控平衡性以及相对的地形适应性，他的主要竞争对手包括轮式机器人、履带式机器人、人形机器人和多功能外骨骼。相比于轮式机器人和履带式机器人，机器大狗的速度劣势非常明显，功重比、能量利用率都对比起来都非常惨烈——多足结构在效率上不可能与轮式、履带式结构相比，这也是他们绝不可能大型化的根本原因（高达爱好者、机甲爱好者请退散）。与人形机器人相比，机器大狗的平衡性优势又显得不那么突出——波士顿公司自己的人形机器人完全可以做到比大狗更强的平衡性。

在地形适应性方面，很多人认为多足结构在山区陡坡、高墙、悬崖等复杂地形会有非常突出的优势。不过，各国实际研发出来的大狗，其最大爬坡角度仅仅勉强能够接近35度，也就是说只比轮式车辆稍微大那么一点点，与履带车辆的45度相差甚远。双足的人形机器人或者外骨骼结构虽然双足的最大爬坡角度比机器大狗略小，但毕竟拥有双手，可以开发攀爬技能，这是大狗暂时无法比拟的优势。由于大狗本身的体积有限，爬坡能力也不高，在跨越路障方面的表现自然也就高不起来。

目前，机器大狗主要采热机——液压和纯电两种方式驱动，前者的敏捷性略高但是噪音非常明显。两种模式的大狗续航能力都让人不敢恭维，起最初期型号只能坚持十几分钟，经过长期发展现在也只能延长到半小时到一小时之间。采用热机版的大狗噪音控制水平还相对较差。

那么，机器大狗的主要价值在哪里呢？作为科研探索的前端项目，这种构型可以为外骨骼和人形机器人的平衡自动控制提供丰富的经验，借鉴价值很高，此外他对于运动物理学的前沿也有很大的帮助。当然，不论是液压组件还是微型马达，机器大狗所需要的关键节点也是对精密机械工程领域的积极刺激。

目前制约机器大狗的核心问题并不在于他已经解决了的平衡性和自动控制，而是能源和动力的瓶颈。我们之所以看不到电动飞机，就是因为电池的能量密度和热机——电机之间的转化效率还差的太远。未来如果我们获得了更强的原动机或者更高的储能密度，机器大狗成长为被普遍应用的伴随运输平台还是非常有可行性的。