種八喜很難說清靈感是什么時候爆發(fā)的，也許是在觀察蜥蜴的時候，也許是在和妻子散步的時候，又或者是在洗澡的時候。

傳感器賦予了機器人視、力、觸、嗅、味等感知能力，對機器人來說至關重要。種八喜卻提出了一個大膽的想法，“去掉這些傳感器，給機器人增加足夠多的腿，是不是也能使其穩(wěn)步前進？”

(資料圖)

他抓住了這個想法，立刻進行驗證。經(jīng)過2個月實驗、2個月寫作、4個月投稿，29歲的種八喜作為第一作者，收獲了人生第一篇Science論文。

在這項研究中，佐治亞理工學院物理學院博士后種八喜等人通過數(shù)學、物理建模，提出了一個“物質運輸”理論框架：給機器人增加腿腳，即空間冗余，可以提高它在復雜環(huán)境中穩(wěn)健移動的能力。這種冗余使機器人無需傳感器也能移動。

這給機器人研發(fā)開辟了一個全新的方向。近日，這篇論文在Science雜志在線發(fā)表。

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種八喜和妻子 受訪者供圖（下同）

從觀察蜈蚣到“蜈蚣機器人”

從讀博士起，種八喜就致力于探究機器人運動背后的數(shù)學及物理原理。

通常的機器人有2條或4條腿，借助遍布全身的視覺、觸覺等傳感器和計算系統(tǒng)，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的感知和運動。多年來，依靠這樣的路徑，大家研發(fā)出了適用于各種場景的機器人。在人工智能技術的推動下，這一領域愈發(fā)“火熱”，很快聚集起了大批追隨者。

“當我做了一些相關的課題，發(fā)現(xiàn)自己對此并不感興趣。比起智能算法的‘黑匣子’，我更想通過嚴謹?shù)臄?shù)學和物理模型實現(xiàn)對機器人的控制，例如其中涉及的幾何力學讓我非常著迷。”種八喜說。因此，他選擇到佐治亞理工學院物理學院攻讀博士。

走進這個名為“復雜流變學與生物力學”的實驗室，會讓人忍不住感嘆這里像個“動物園”：魚、烏龜、蟲子、蜈蚣、蛇、蜥蜴……飼養(yǎng)、觀察它們，也成了實驗室成員的日常。

長久的觀察，引發(fā)種八喜和同學們不斷思考：這些動物有的4條腿、有的8條腿、有的幾十條腿，還有的沒有腿，它們都能行動自如。機器人是不是也可以像這些動物那樣，擁有8條腿甚至幾十條腿呢？

經(jīng)過幾年的實踐和積累，研究團隊開發(fā)出了擁有多條腿的“蜈蚣機器人”。“每多一條腿，就涉及與身體其他部位的配合協(xié)調問題，要重新建立其數(shù)學模型，其計算量更是呈指數(shù)級增加。”種八喜說。

而比工作量增加更關鍵的問題是：多了這么多的腿有什么用？在4條腿夠用的情況下，為何要使其變得更復雜？

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論文作者合影

導師推薦看的書，恰好在妻子書架上

種八喜思維活躍，腦子里總會不斷冒出一些新的想法。而當缺乏靈感時，他常常會回歸觀察。

“人們走路時，需要密切關注周圍信息，眼睛、耳朵、鼻子這些感官系統(tǒng)將得到的信息傳遞給大腦，大腦指揮身體，幫助我們避開障礙，平穩(wěn)行走；而貓、狗似乎不需要這么多對環(huán)境的感知和反饋，4條腿的穩(wěn)定性讓它們走路時更大膽；對于蜈蚣，它甚至不需要感知和反饋障礙物，足夠多的腿使它在崎嶇不平的地方照樣平穩(wěn)爬行。”種八喜說。

在不斷的觀察和思考中，他靈機一動，蜈蚣機器人有這么多腿，是否不再需要傳感器？不必精確計算前方障礙物的大小、距離？

這天，導師給種八喜推薦了一本書——《信息論概述》。回到家，他驚喜地發(fā)現(xiàn)，這本書就躺在妻子的書架上。作為生物醫(yī)學工程學的博士，種八喜的妻子對信息論頗有研究。

那段時間，他們散步時的話題總圍繞著信息論展開，有時討論升級，還會演變?yōu)闋幊常拔业乃季S很飄，有很多異想天開的想法，妻子比較務實，會把我的思緒拉回來。”他笑著說。

香農(nóng)提出的信息論認為，要想確保消息在有噪音的線路上從A傳遞到達B，不是將其作為模擬信號發(fā)送，而是將其分解為離散的數(shù)字信號。為了消除噪音的影響，使傳輸更準確，通常會增加信息冗余。

受此啟發(fā)，種八喜等人將機器人的身體看作被傳輸?shù)摹靶畔ⅰ保ㄟ^數(shù)學、物理建模，提出了一個“物質運輸”理論框架：給機器人增加腿腳，即空間冗余，可以提高它在復雜環(huán)境中穩(wěn)健移動的能力。這種冗余使機器人無需傳感器也能移動。

“就算有一條腿踏空，其余的腿也能幫助它移動前行。像是拔河比賽時，一兩個人突然絆倒并不會改變整體的移動方向。”種八喜解釋說。

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種八喜和導師Daniel Goldman教授

無需傳感器，可輕松穿越農(nóng)田、廢墟……

目前，學界和業(yè)界對于機器人移動的研究大多圍繞傳感器展開，利用視覺、力覺、聽覺、接近覺、超聲波等各類傳感器，使機器人能夠完成復雜工作。環(huán)境越多變、工作越復雜，對傳感器的精度要求越高。

“在公路、鐵路上，輪式或4足機器人可以自由移動、運輸貨物，而一旦到了農(nóng)田，或倒塌的建筑物中，這類機器人通常難以正常工作。”種八喜說，“當進入火星等未知環(huán)境時，其局限性會更明顯。

為了驗證蜈蚣機器人的運動性能，研究團隊建造起復雜地形模型，通過不斷增加腿的數(shù)量進行測試，最終從6條擴展到了16條。他們發(fā)現(xiàn)，當腿數(shù)達到12條時，機器人便可平穩(wěn)通過地形模型。

隨后，他們把機器人帶到草叢、石堆中，在真實環(huán)境中再次測試，它依然表現(xiàn)出色。

面對著這個能穿越狹小空間的蜈蚣機器人，種八喜總會想起2008年汶川地震時的場景。當時的他正在重慶讀初二，地震發(fā)生后，身邊有許多救援的叔叔阿姨被困震中，他對聽聞的震中慘狀印象深刻。“當時我就在想，有什么辦法能夠幫助他們？”種八喜說。

這像一粒種子埋進了他的心里，15年后，這顆種子開了花。

舍棄了昂貴的傳感器，蜈蚣機器人的成本大幅降低，僅需要1000美元。目前，這一機器人已被應用到導師及合伙人開設的農(nóng)業(yè)公司，將會用于那些無法使用除草劑的農(nóng)田的除草工作。

“我們正在對蜈蚣機器人進行優(yōu)化，希望能根據(jù)實際需要確定其最佳腿數(shù)，在復雜系統(tǒng)中尋求能量、速度、功率、穩(wěn)定性之間的平衡，以便更加經(jīng)濟高效。”種八喜說，“相信未來它也能夠用于復雜地形的救援工作。”

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4985

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