现代机器人领域充斥着模仿动物世界的仿生机器。从配备面部识别功能的巡逻体育场馆的机器狗到受长腿蜘蛛启发的探索机器人，以及几乎所有介于两者之间的东西，世界各地不乏仿生动物的机器版本。人工智能系统、新型合成材料和3D打印技术的进步，极大地提高了这些机器的奔跑、攀爬和穿行障碍物的能力，这通常是为了科学探索或公众安全。
然而，尽管取得了这些技术进步，并且近年来机器人行业吸引了数十亿美元的投资，但总的来说，机器在直线比赛中仍然落后于它们的生物对等物。这一基本观察结果支撑着一项本周发表在《科学机器人学》杂志上，由一个跨学科研究团队进行的新研究。
研究人员考察了与奔跑相关的五个不同的“子系统”，并比较了它们在动物和仿生机器人之间的优劣。动物依靠精密的骨骼和组织组成的复杂网络，在几乎所有单个组件层面似乎都逊于机器。研究人员发现，它们真正的优势在于对身体的复杂而互联的控制。这种流畅的互操作性使得动物整体上比其各个部分的简单组合更胜一筹。
“结果是，除了极少数例外，工程子系统的性能优于生物同类——有时甚至远超它们，”SRI国际高级研究工程师兼论文合著者Tom Libby在一份声明中说。“但是，非常非常清楚的是，如果从整体系统的角度来看运动能力，比较动物和机器人，动物是惊人的。而机器人还有待赶上。”
动物受益于生物的复杂性和数代进化的积累
五位研究人员各自专注于动物和机器奔跑的一个特定子系统。这些系统被细分为动力、框架、驱动、传感和控制。在个体层面上，机器几乎在所有这些类别中都超越了动物。例如，在框架方面，拥有轻巧但坚固的碳纤维机身的机器人，其承载能力比动物骨骼更强，不易弯曲。同样，研究人员得出结论，机器人的计算机辅助控制系统在整体延迟和带宽方面优于动物的神经系统。
然而，尽管机器人似乎拥有更强大、更稳健的独立部件，但动物 nonetheless 能够更熟练地使它们无缝地协同工作，形成一个 cohesive 的“整体”。当动物和机器人在现实世界环境中进行测试时，这种差异就显现出来了。虽然较新的机器人能够经过认证地快速加速，甚至执行一些杂技动作，但它们在流畅性和适应性方面与生物对应物相比则相形见绌。机器人有时可以穿越崎岖的地形，但动物可以毫不费力地克服泥泞、雪地、植被和瓦砾等障碍物，而无需思考自己正在做什么。
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“角马可以在崎岖不平的地形上迁徙数千公里，山羊可以爬上真正的悬崖，找到似乎不存在的落脚点，蟑螂可以失去一条腿而不会减速，”西蒙·弗雷泽大学生物医学生理学与运动机能学系教授Max Donelan写道。“我们没有任何机器人能够做到如此的耐力、敏捷性和鲁棒性。”
动物还有一个巨大的优势：时间。与过去几十年才取得真正进展的先进机器人不同，动物已经拥有数百万年，甚至数十亿年的进化史。研究人员指出，动物比工程技术拥有“巨大的领先优势”。另一方面，机器人以惊人的速度成功地缩小了这一差距。研究人员表示，他们“乐观地”认为机器人有一天会跑赢动物。
“（机器人）的进步会更快，因为进化是无方向的，”华盛顿大学电气与计算机工程系副教授Sam Burden说。“在工程制造机器人方面，我们可以比进化更快地前进——但进化拥有巨大的先发优势。”
研究人员希望这些发现能帮助未来奔跑机器人的开发。有了这些发现，机器人制造商可以决定将更多的时间和精力集中在组件集成上，而不是仅仅制造更强大、性能更好的硬件。
“我们从生物学中吸取的教训是，尽管进一步改进组件和子系统是有益的，但改进奔跑机器人的最大机会在于更好地利用现有部件，”研究人员写道。
