全球最快機器狗來自杭州！背後有什麼野心
最近，一波波科技爆發讓世界把目光聚焦於杭州。其中，就包括一隻全球跑得最快的機器狗。
近日，浙江大學杭州國際科創中心人形機器人創新研究院聯合鏡識科技有限公司、杭州凱達爾焊接機器人股份有限公司研發的四足機器人“黑豹2.0”正式發佈———這隻“機器猛獸”，整體重量為38kg、站立高度0.63m，速度可達到10米/秒，成為世界上跑得最快的“四足機器人”。
浙江大學杭州國際科創中心 供圖
這隻機器狗是如何誕生的？背後有哪些改變世界的“野心”？主創團隊在極限速度的背後又在追求什麼？
記者走進浙江大學杭州國際科創中心一探究竟。
來自大自然的靈感
見到這隻機器狗幕後研發的主要負責人，科創中心人形機器人創新研究院金永斌研究員時，記者驚訝地發現，對方是一個和記者年齡相仿的年輕人。連帽衞衣加上脖子上的一副頭戴式耳機 ，活脱脱一個數碼少年。
不過，當討論起“黑豹”時，他的專業性盡顯無遺。
這次“黑豹2.0”能夠速度突破，首先離不開那四隻“仿跳鼠碳纖維小腿”，做到在重量僅提升16%的代價下剛度提升135%；還有仿照獵豹的利爪，為“黑豹2.0”定製的特殊“跑鞋”，使其抓地性能提升200%。
這些創新改進，都是在無數次試錯中誕生的。
金永斌回憶，在兩個月的時間中，只要“黑豹”的速度超過6米/秒，它的腿部就會斷裂，可見高速運動對肢體強度的要求之高。
浙江大學杭州國際科創中心 供圖
經過分析，研發團隊意識到原有設計存在不合理之處，需要優化。一篇關於跳鼠的論文進入他們的視野：小型跳鼠的掌骨是分開的，而大型跳鼠的掌骨則融合成一體，以應對更大的衝擊載荷。
“於是，我們在構成小腿的三根碳纖維管中間增加一根，讓它們緊密相連，從而更好地傳遞力，提高結構強度。”金永斌説。通過材料力學知識可知，物體抗彎剛度與其直徑的四次方成正比，這一細小的改變讓機器狗小腿的剛度顯著提升，最終解決了機器人腿部強度不足的問題。
而“黑豹2.0”的“跑鞋”，靈感同樣是來自獵豹等動物可自由伸縮的角質化鋭爪，以及人類跑步時使用的釘鞋，通過顯著增加摩擦力，提升奔跑速度和穩定性。這也是四足機器人穿上的第一雙“釘鞋”。
金永斌形容他們正在做的事情是“道法自然”：“5000年前，馬的腳趾還是三個，經過漫長的演變，漸漸形成了一體的馬蹄。自然界確實通過時間告訴我們存在最優解，通過機器狗的高速奔跑項目，有的方案已經被我們理解，有的還像一座寶礦等待探索。”
極限背後的世界
10米每秒，對於一隻機器狗來説，聽起來已經非常快了。金永斌卻説，他們追求的不只是速度，而是極限之下對機器人性能邊界的探索。
隨着以強化學習為代表的人工智能技術的興起，機器人的控制算法越來越接近其硬件本身的極限。可怕的是，此前四足機器人只能達到同質量生物的三分之一。這意味着，硬件目前仍然是機器人趕超生物性能的瓶頸所在。
“速度實際上是一種綜合性能的體現。數值是多少，本身並不重要，重要的是藉助提升速度，去理解機器人在物理性能上為什麼還無法做到跟真的生物一樣。”金永斌説。比如汽車的百公里加速時間，反映了電機性能、系統延時、結構強度和輕量化設計等多方面因素。他們的研究對於機器人行業的發展，就如同賽車文化之於汽車工業的發展一樣，將新技術通過低成本模式向民用化轉移。
從本科開始，金永斌已經從事機器人相關的課題研究。作為浙江大學2017級航空航天學院固體力學博士研究生，他的研究課題是高機動性機器人的設計與控制。“黑豹”機器人的理論基礎設計，在他的博士論文中已經完成——“黑豹”系列實現的兩大顛覆性突破之一，即形成了機器人正向設計的優化軟件，可以服務於各類型的機器人設計工作，大規模節約機器人研發過程中的時間和成本。
博士期間，金永斌為來訪實驗室的浙大幼兒園小朋友講解機器人知識。圖源浙江大學交叉力學中心官網
藉助這套軟件系統，“黑豹 2.0”研發團隊從動力學角度深入分析了現有機器人的低效能原因，甚至打破了多項傳統認知。
金永斌向記者解釋，比如一個機器人站立時，一般會認為它的膝關節受力最大。如果你半蹲着，也會覺得膝關節很累，髖關節倒還好。因此，通常會為機器人的膝關節設計更大的減速比。但在奔跑速度超過5米/秒時，髖關節反而是受力最大的部分，需要設計更大的減速比；膝關節的受力更多來自電機自身的慣量，需要降低減速比來降低自身引起的額外載荷。
這種反直覺的現象，唯有通過理性的計算，才能看清。
機器人的未來暢想
機器人，似乎從未離我們如此近過。
近期，宇樹科技更新機器狗視頻，Unitree B2-W機器狗可以完成托馬斯全旋、側空翻、360°跳躍轉體、衝跳、極地跑酷等動作。該公司的人形機器人更是登上春晚，上演了一場震驚全國觀眾的“賽博秧歌”。
不久前結束的CES展會上，具身智能機器人繼續引發關注。人形機器人、機器狗、AMR、清潔機器人、割草/農業機器人、陪伴機器人等最新技術及新品紛紛亮相。特斯拉開發的Optimus人形機器人將在2025年進行量產，未來有望創造超過10萬億美元的長期收入，甚至可能超過汽車業務，成為公司主要的收入來源。
面對全世界智能機器人的激烈競爭，金永斌和他的團隊依然堅定地守在“極限賽道”。“因為我個人更傾向於讓機器藉助人的智力，即把人的智力在機器人這個物理平台上重新投放。”金永斌説。擁有超高自由度的機器人，完全由AI算法進行控制，可能其安全性與倫理問題還有待長時間的研究，但人機互感和人機聯動，或許在五年之內就能成真。
他笑着舉了一個例子，“比如您今天採訪我，就可以直接連接我的機器人來提問，通過互聯實現物理世界的交互，不用人到這裏來了。”金永斌透露，在他們研究院內部還有一個更宏大的想法：通過這些機器人讓所有藍領都變成白領，足不出户地在工廠進行工作，甚至消除春運這樣的大規模遷移——這要求機器硬件有極高的響應速度。
“趴着的”黑豹2.0。記者 李嬌儼 攝
“黑豹2.0”的第二大顛覆性突破，也在於硬件，即高功率密度的電機驅動器研發獲得成功。團隊設計出了目前國際領先的高功率密度、高載荷能力的電機驅動器，為下一代工業四足機器人的研發奠定了堅實的基礎，甚至已經應用到該研究院的部分人形機器人身上。
從力學領域轉入機器人方向研究前，金永斌和大多數普通人一樣，通過各種新聞報道，認為機器人的硬件技術已經非常成熟。然而，當他要將理論落地時，才發現工程層面挑戰重重——也意味着這一領域大有可為。
他和師弟用了一整年，一點點地對電機驅動器進行迭代測試，總共研發了十個版本。每次他們想到一個好的技術方案，以為很快就能成功，“結果剛一上電，電機驅動器就爆炸。動不動就炸，一不小心就在我眼前炸了。”金永斌無奈地講。
面對這些“意外”，他已經習慣了。他的導師、科創中心人形機器人創新研究院院長王宏濤的話，總在金永斌的腦海中迴響：“我們一定要做難而正確的事情。”
他們知道眼前這塊長方體的“機械心臟”會為人類帶來巨大的價值，有着這樣的信念和環境支撐，“挑戰極限這件事還挺浪漫和幸福的。”金永斌説，接下來他們還會繼續為“黑豹2.0”提速，並開發新的人形機器人。
潮新聞 執筆 李嬌儼