到明年年底，机器人将步入灾区。它们不会靠轮子滚动或履带轰鸣前进。它们将行走，跨越瓦砾，大多数机器人将依靠双腿保持平衡。与人类先遣救援人员相比，这些机器人的移动速度会很慢，并且会频繁停顿。但它们在速度上的不足，将在韧性和可消耗性上得到弥补。化学火灾无法灼伤机器人的肺部，而伽马射线缩短的寿命，与其说是悲剧，不如说是一种后勤上的麻烦。
它们将具备在福岛机器人无法做到的移动能力，能够在一个充斥着门、楼梯、破碎基础设施和无数其他障碍物的环境中应对危机。以前的类人机器人几乎无法爬上地毯的边缘，而这些系统将不得不爬梯子，并滑入它们自己驾驶的车辆。尽管现在即便是顶尖的机器人实验室，能转动门把手也值得庆祝，但这些机器人将打开它们能打开的门，并用电动工具凿开或锯开它们打不开的门。
由于灾难往往会破坏或切断通信，这些替身将承担令人惊讶的责任。很少，甚至可能没有，会是遥控操作系统，由使用操纵杆或佩戴传感器手套的人远程驱动。这些类人机器人将听从远方人类的指令，但它们将使用自己的算法来决定如何正确抓握锯锯（Sawzall），从哪里开始切割，以及切割多久。
机器人将要步入的灾难，实际上是一个障碍训练场，是为期两年的 DARPA 机器人挑战赛而建，该比赛于去年10月启动。奖金为200万美元，将颁发给不仅在今年12月的正面交锋比赛中得分高，而且在2014年的第二次比赛中获胜的团队。机器人将必须完成八项不同的任务，展示人类先遣救援人员可能需要的移动和操作技能。
“我们从卡特里娜飓风到福岛，再到现在的超级风暴桑迪，在一次又一次的灾难中看到，在灾难初期，人类的能力常常存在明显的局限性，”挑战赛的项目经理Gill Pratt说。“DARPA认为，在情况过于危险的地方和时间，机器人可以替代人类。”
比赛规则并未明确要求采用类人设计，但任务和环境使之成为一个合乎逻辑的选择。从门把手的高度到刹车踏板的位置，几乎所有东西都将为直立行走的生物而设计和按比例制作。在灾难中，我们最关心的地方是人类生活和工作的地方——一个以我们自身形象制造的机器人是自然的契合。
完成比赛任务中的几项就将是一项了不起的成就。完成全部八项将是更非凡的壮举。这可能意味着一个可行类人机器人的诞生，一种既能干又坚固的机器。这样的机器人可以去人类曾经去过但不再应该去的地方，冲向有毒烟羽或正在熔化的反应堆，冲进被毁坏的建筑物的废墟中。这些机器人可能成为英雄。
朝我走来的机器人看起来确实令人印象深刻。它的脸是一个黑色、无特征的平面，就像翻扣上的防暴头盔。它26.5磅重、五英尺高的身体其余部分是白色塑料或裸露的合金。如果它静止不动，这个机器人可能会有点令人畏惧。
但CHARLI-2正在移动——而且动作笨拙。它笨拙地在微型足球场的绿色毛毡和白色胶带上蹒跚前行，身体随着每一步的短暂移动而颤抖。它一边走一边挥手，扮演着友善的名人角色。当机器人没地方可走时，它会用一只白色的、没有手指的残缺手臂假装挠头。谢天谢地，CHARLI-2没有从边缘摔下去。由于无法弯曲腰部，它缺乏柔韧性来重新站起来。
这是机器人与力学实验室（RoMeLa）的测试区，该实验室位于弗吉尼亚理工学院地下室的几个没有窗户的房间里。RoMeLa的所有机器人——尤其是带腿的机器人——都在这个大约30乘30英尺的平台上迈出第一步，这个平台也充当了每年RoboCup比赛的练习场地。CHARLI-2在2012年的机器人足球锦标赛中赢得了它所在组别的冠军，展示了类人机器人在自主性、敏捷性和速度方面的世界级水平。
然而，它的步态最快也只有每秒半米——比一般人类步行速度慢两到三倍。双足机器人的制造商很像新手父母，惊叹于他们创造物的基本行走能力，摆脱每一次绊倒或摔倒，并将每一次挫折或成功都置于最受控制的预期之下。在这方面，CHARLI-2就像一个骄傲的幼儿。
但它的日子已经屈指可数了。它的继任者就在附近，等待测试。
这个机器人则不像蹒跚学步的孩子。它是一个正在进行的工程，是一对笨重的铝合金腿和一个下半身，上半身、手臂和头部都不见踪影。然而，现有的部件散发着力量。长长的、像自行车打气筒一样的作动器沿着它的腿延伸，并扇形分布在构成其下背部的部分。这个原型机将是一个最终被称为THOR（战术危险操作机器人）的机器的基础。
“CHARLI-2是老技术了，”RoMeLa的负责人Dennis Hong说。然后他指着未完工的机器人。“这是未来，但有一个很大的‘如果’——如果成功的话。它确实能行走，”他说，“但它真的能做DARPA要求的所有事情吗？”
THOR团队由RoMeLa、宾夕法尼亚大学以及两家商业机器人公司组成，Hong担任团队负责人。尽管DARPA机器人挑战赛（DRC）的首次试赛要到12月才进行，但该团队已经赢得了一项竞争最激烈的奖项——它是七支进入A轨道（Track A）的团队之一，因此有资格获得高达400万美元的软硬件开发资金。
但并非这项成就让THOR团队成为领跑者之一。也不是RoMeLa过去的成功：CHARLI-2和该实验室较小的类人机器人DARwIn，后者也在RoboCup比赛中赢得了它所在尺寸级别的冠军。Hong的秘密武器是这个部分类人机器人，他的实验室在机器人挑战赛宣布前近一年就开始研究它。它也是一个同样听起来不可能实现的类人项目——SAFFiR（舰船自主消防机器人）——的原型。
SAFFiR是海军研究局（Office of Naval Research）一项制造坚固、超能力消防机器人的合同的一部分。它的任务与DARPA提出的任务类似：它必须进入危险区域，在视线不清的地方导航，并在不稳定的环境中保持平衡——在这种情况下，是海上舰船的通道和甲板。但SAFFiR的任务也不同于THOR——它必须遵循人类口头和手势的命令，并要么将灭火罐扔进火中，要么用背包式系统近距离喷射火焰。
SAFFiR为Hong的团队提供了明显的优势。由于这两个项目有重叠的目标，为SAFFiR所做的研究将适用于THOR，反之亦然。相同的基本工程，辅以不同的工具和能力，最终可以完成两项工作。理论上，这就是类人机器人的优势：能够适应并完成各种任务，无论是跨越舰船上的高“膝撞”门槛，还是在岸边灾难现场的移动瓦砾上爬行。
到目前为止，THOR团队几乎完全专注于移动性。操作能力——抓握方向盘、电动工具和梯子扶手——以后会很重要，但快速稳定地移动是最紧迫的问题。毕竟，如果一个类人机器人无法可靠地完成任务，谁还在乎它操作气动锤的能力呢？
双足运动一直是类人机器人技术的主要承诺和风险。它将使机器能够更好地在各种环境中移动，特别是那些为人类设计的环境。但这非常困难。而且非常危险——几乎任何摔倒都可能是灾难性的。这就是为什么像CHARLI-2这样的机器人迈出如此谨慎的步伐，小心翼翼地调节每只脚的确切位置，使用一种通常被称为位置控制的系统。
像CHARLI-2或本田Asimo这样的机器人——一个在迪士尼乐园明日世界的表演中行走、跳跃和跳舞的类人“助手”——通常在其关节中嵌入了作动器，可以旋转以弯曲或伸直每条腿。随着其行走速度的增加，这些电机转得更快，但机器人会达到功能速度极限；它不能像人类那样依靠动量冲刺。它们的关节太僵硬，算法需要不断计算肢体的具体位置。它们不像人那样移动，不像我们那样在失衡和恢复之间进行瞬时振荡。仅使用位置控制的机器人必须知道下方地形的确切几何形状。
相比之下，RoMeLa的新机器人结合了力控制。它的设计和功能更具生物学特性。“主要区别在于线性串联弹性作动器，”Hong说。“我们的设计灵感来自于人类解剖学。我们的作动器像人类肌肉一样伸缩。”
这些作动器细长且呈圆柱形，放置在大约肌肉所在的位置；它们的功能也像肌肉，带有钛弹簧，为每一步提供减震，并提供从一步到下一步的弹性。这些特性使机器人也能使用力控制：它可以提高其作动器的速度，更努力地驱动模拟肌肉，并克服当位置控制软件无法完全预测每一步时出现的算法恐慌。结果是，它也有更多机会恢复平衡。CHARLI-2可能会立即摔倒，而这种设计可能会试图将绊倒变成蹲下。通过平衡力和位置控制，机器人可以以更接近于一个人那种松散、即兴发挥——最终更有效率和更有力——的方式移动。
类肌肉作动器和更灵活的控制方案的好处应该是更快的速度和稳定性，以及旧式胆怯的双足机器人的终结。这个机器人将迈出长长的、吞噬地形的步伐，每一步都充满活力。它将大胆前进——因为它需要。
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当他第一次阅读DARPA关于DRC的广泛机构公告时，Nicolaus Radford勃然大怒。作为NASA Robonaut（一个正在国际空间站测试的类人机器人）的副项目经理，他很清楚类人机器人能做什么和不能做什么。“听起来像个六岁的孩子写的，”他说。“然后我们要让它开车，然后让它爬梯子，然后操作水泵！”
DRC的设计具有夸张的特点，是历史上最难的机器人比赛。这种大胆吸引了工程师们。除了本田——Asimo仍可能出现在无资金支持的D轨道（Track D），该轨道截止日期较晚——之外，DRC吸引了全球顶尖的类人机器人实验室。除了THOR团队，A轨道还包括来自NASA的两个团队，一个来自卡内基梅隆大学（DARPA上一次机器人挑战赛——无人驾驶汽车比赛——的获胜机构），一所东京大学孵化的公司，以及一家国防承包商雷神公司的外卡参赛者。
B轨道和C轨道的团队只设计软件，但他们将争夺使用波士顿动力公司（以其四足BigDog系统而闻名）制造的机器人。这个政府提供的机器人，波士顿动力公司将其基于PETMAN和Atlas原型机，有望成为迄今为止最强大的类人机器人之一；强大的液压作动器使其能够跨越间隙。2014年的决赛将有八个机器人，代表所有轨道中得分最高的机器人，因此波士顿动力机器人与A轨道最佳机器人之间的对决几乎是不可避免的。
不太确定的是，决赛中的任何一个机器人是否都能实际完成所有八项任务。首先，有移动挑战：机器人必须穿越碎片并在工业环境中移动。但没有类人机器人能长时间在不平坦的地形上导航，而昆虫般的六足机器人虽然更稳定，但在岩石和瓦砾上移动的速度却慢得令人痛苦。THOR团队认为其作动器在此具有主要优势。总部位于东京的SCHAFT Inc.团队此前也展示了极其坚固的类人机器人下半身HRP3。该机器人的稳固平衡和强大的水冷电机驱动器可能是一笔巨大的财富。THOR和SCHAFT Inc.的机器人都能很好地完成爬梯任务，据Hong说，这项任务几乎可以完全由强有力的腿来完成，只需用手抓住扶手，即可防止机器人摔倒。
操作任务，包括开门和关紧阀门，风险不大：比起脸部朝下摔倒，掉落螺丝刀不太可能让机器人退出比赛。但目前，没有一个参赛者具有明显优势。Radford在约翰逊航天中心（JSC）的团队正在开发一款机器人，其核心技术部分源自Robonaut，Robonaut拥有极其灵巧的五指手。Robonaut已经能够处理宇航员在太空行走期间使用的工具和接口，无论是自主操作还是远程操作。如果JSC未命名的参赛作品像Robonaut一样敏捷，并且如果团队为其配备了能够到达赛道各目的地的下半身，它在更换部件和使用电动工具等任务上可能会表现出色。
尽管存在以人类为中心的挑战，但最有能力的机器人也可能采取完全不同的形式。类人机器人尚未走进我们的生活，这并非没有原因：用钢铁和锂离子电池复制我们自己那得意洋洋的双腿、双臂生理结构是困难的。“人类在行走时的能源效率是最佳类人机器人的15倍，”Radford说，“而人类的脂肪储存能量的密度是电池的30倍。这对于这些系统来说是一个显著的劣势，从一开始就是如此。”
“机器人不必受我们进化的限制。如果我们需要在某个特定位置放置一个摄像头，我们就把它放在那里。”卡内基梅隆大学A轨道参赛者、受灵长类动物启发的CHIMP，将能够在两足和四足运动之间自由切换，以更好地爬过障碍物。NASA的另一支A轨道团队，来自其喷气推进实验室（JPL），计划派出其四足RoboSimian的一个版本，这是一个生物机电多样性的混合体，其设计和运动既像猴子又像海洋生物。
“虽然DARPA机器人挑战赛中的一些机器人将是类人形态，但我们也知道有些将不是，”DARPA的Pratt说。“我们追求的是与人类的兼容性。”CHIMP或RoboSimian的胜利不仅可能摧毁另一支团队获得200万美元奖金的机会，还可能从根本上改变类人机器人领域的格局——将其转向那些外观像人类比动作像人类更重要的工作。当一只四足机器人更胜任时，为什么要追求一个双足英雄呢？
JPL从大自然中精心挑选了各种特质和方法来建造RoboSimian；它触手般的、近乎放射状的对称性模仿了海星。JPL机器人车辆和机械臂小组主管Brett Kennedy说：“人类拥有非常衍生的结构。我们的头部、颈部以及我们身体其他部位的布局方式，都是为了将特定功能，如视觉，放置在我们需要的位置。但机器人不必受我们进化的限制。如果我们需要在某个特定位置放置一个摄像头，我们就把它放在那里。”
RoboSimian没有前、后或侧之分。这种残酷高效的设计可能会使其成为一个强大的竞争者，其威力直到12月才能显现。其他机器人在进入和离开公用车辆时可能会显得笨拙或极不稳定——类人机器人需要枢轴和重新定向——而RoboSimian应该能够直接横向行走进入驾驶座。并且，在部署了三台有能力的火星探测器后，JPL已经学会了如何在有限的能源储备和通信线路下，通过严酷、不可预测的环境来推动其机器人。这些系统对命令做出响应，但由于地球和火星之间有八分钟的无线电延迟，它们几乎必须自主执行所有命令。对Kennedy和他的团队来说，DRC可能只是又一个平常的工作日。
Hong，多年前曾与Kennedy一起研究RoboSimian的前身之一，他预计来自所有A轨道团队的竞争都将非常激烈。但他认为JPL是一个生存威胁。“非类人形式真的能做到所有这些事情吗？”Hong说。“如果他们能做到，那将彻底颠覆我关于为什么我们需要类人机器人的全部理念”——即在人类环境中机动。“但如果他们做不到，那对我们来说是件好事，”他说。“这可能证明我完全错了，也可能证明我完全对了。”
在CHARLI-2刚刚穿过的同一个测试场上，THOR和SAFFiR的前身迈出了当天第一步。这个东西有着真正的威胁感：它的作动器在每一次移动时都会发出嗡嗡声，其截短躯干顶端的蓝色指示灯散发出恰到好处的阴森感。它行走时被一条碳纤维和铝合金的带轮龙门架（以防万一摔倒时接住它）牵引着，龙门架上有一个琥珀色警示灯和醒目的红色紧急停止按钮。手臂还在制造中，其力量大约相当于一个成年男子。但腿部是超人的。根据RoMeLa的团队成员称，腿部意外地穿透了他们放置在脚后跟和脚踝之间的铝合金缓冲材料。这个机器人已经比团队预测的更强大，能够以人眼无法追踪的速度向前挥动腿部。
但它的动作并不完全是科幻噩梦中的景象。尽管它拥有强大的力量和肌肉，但这个原型机速度很慢。当然，这是它第三天行走，它使用的算法是从CHARLI-2借用的。因此，虽然它的步幅更长，作动器也更快，但我只看到了它最终速度的一小部分。RoMeLa希望证明双足机器人也能更经济地使用能源；如果线性串联弹性作动器如预期般工作，它们可以缩小生物与机器人之间的效率差距。一个行走时只比人类多消耗五倍能量的类人机器人将是一项重大的工程突破。
电力一直是机器人领域令人担忧的问题，但在今天的试走中尤其成问题。这款类人机器人的一个设计优势是，作动器在每一步中都能恢复少量能量，类似于混合动力电动汽车中的再生制动。
但右膝出了问题。它恢复了过多的能量，导致电力激增并触发自动关机，这会导致机器人倾倒。至少这是假设。稍后，当机器人静止站立，主动平衡自身时，Hong则爬上了这台机器。它66磅重的机身能够承受他全身的重量而不弯曲或遭受毁灭性的电力浪涌。膝盖不会因为压力而失效。它的电力浪涌似乎是随机发生的。
首先，它们将拯救生命。之后，它们可以拯救周末的家务。RoMeLa团队记录数据并继续前进。未来还有数月甚至数年的故障排除。一些解决方案将针对具体任务。但另一些将适用于在人类世界中运行的机器人的更广泛的企业。“高风险、高回报项目的最佳范例是类人机器人，”Hong说。“如果它能灭火，那么你就可以用它来拖地板、做饭、给你送东西。这就是为什么我称它为机器人的瑞士军刀。如果你成功了，你几乎可以用它做任何事情。”
这就是THOR、SAFFiR和其他类人原型机的长期承诺：它们将催生初始的、受限的、价值百万美元的系统，随着复杂部件经过现场测试并大规模生产，一切都将变得更便宜。用于军事和医疗任务的机器人将为消费级型号铺平道路，那些用于协助老年人和残疾人、除草和洗衣的机器人。首先，它们将拯救生命。之后，它们可以拯救周末的家务。
RoMeLa工程的首次公开测试将于今年11月举行，届时SAFFiR将登上美国海军“沙德维尔”号（U.S.S. Shadwell）——一艘停靠在阿拉巴马州莫比尔的退役二战时期的舰船。它可能不会喷洒任何软管或投掷任何罐子，而是会四处走动，熟悉环境。一个月后，THOR将参加其第一个任务比赛。其他试验将随之而来，包括海军调色板火灾和DRC模拟灾难，这两者都计划于2014年进行。
无论DARPA机器人挑战赛的结果如何——即使它指向一种由表现最好的肢体、姿势和控制方案组成的混合机器人——真正的问题不在于机器人何时准备好进行积极、有意义的部署。就像DARPA的大挑战和城市挑战赛加速了机器人汽车的发展并最终导致了谷歌的自动驾驶普锐斯一样，机器人挑战赛将推动真正有能力的机器人的进步。比赛结束后，问题只在于它们何时以及如何进入社会。
可能需要十到二十年，机器人才能出现在医院，帮助病人上下床，或在寒冷冬季的建筑工地上，进行全机器人夜班工作。但在此之前，你可能会看到类似人类的机器走进灾区。也许它们会出现在网上，在晃动的手机镜头中一闪而过。或者你可能会亲眼看到一个，它向前逼近，穿过烟雾，它的手伸向你。
Erik Sofge曾为《大众科学》2012年11月号撰写过关于未来宇航服技术的文章。本文刊载于该杂志二月刊。
