种八喜：给机器人“加腿”

①种八喜和妻子 。

②种八喜和导师Daniel Goldman教授。

■本报记者 刘如楠

种八喜很难说清灵感是什么时候爆发的，也许是在观察蜈蚣时，也许是在和妻子散步时，又或者是在洗澡时。

传感器对机器人来说至关重要，它赋予了机器人视、力、触、嗅、味等感知能力。美国佐治亚理工学院物理学院博士后种八喜提出了一个大胆的想法：“去掉这些传感器，给机器人增加足够多的腿，是不是也能使其稳步前进？”

他抓住了这个想法，立刻进行验证。经过2个月实验、2个月写作、4个月投稿，29岁的种八喜作为第一作者，近日收获了人生中第一篇发表在《科学》的论文。

在这项研究中，种八喜等人通过数学、物理建模，提出了一个“物质运输”理论框架：给机器人增加腿脚，即空间冗余，可以提高它在复杂环境中稳健移动的能力。这种空间冗余使机器人无须传感器也能移动。

这给机器人研发开辟了一个全新方向。

从观察蜈蚣到“蜈蚣机器人”

从读博士起，种八喜就致力于探究机器人运动背后的数学及物理原理。

机器人通常有2条或4条腿，借助遍布全身的视觉、触觉等传感器和计算系统，实现对周围环境的感知和运动。多年来，依靠这样的路径，大家研发出适用于各种场景的机器人。在人工智能技术的推动下，这一领域越发火热，很快聚集了大批追随者。

“当我做了一些相关的课题后，发现对此并不感兴趣。比起智能算法的‘黑匣子’，我更想通过严谨的数学和物理模型实现对机器人的控制，例如其中涉及的几何力学让我非常着迷。”种八喜说。因此，他选择到佐治亚理工学院物理学院攻读博士。

走进这个名为“复杂流变学与生物力学”的实验室，让人忍不住感叹这里像个“动物园”：鱼、乌龟、蜈蚣、蛇、蜥蜴……饲养、观察它们，成了实验室成员的日常。

长久的观察，引发种八喜和同学不断思考：这些动物有的4条腿，有的8条腿，有的几十条腿，还有的没有腿，它们都能行动自如。机器人是不是也可以像它们那样，拥有8条腿甚至几十条腿呢？

经过几年的实践和积累，研究团队开发出拥有多条腿的“蜈蚣机器人”。“每多一条腿，都涉及与身体其他部位的配合协调问题，都要重新建立数学模型，计算量更是呈指数级增长。”种八喜说。

而比工作量增加更关键的问题是：多了这么多条腿有什么用？在4条腿够用的情况下，为何要使其变得更复杂？

导师推荐看的书恰好在妻子书架上

种八喜思维活跃，脑子里总会不断冒出新想法。而当缺乏灵感时，他常常会回归观察。

“人们走路时，需要密切关注周围信息，眼睛、耳朵、鼻子这些感官系统将得到的信息传递给大脑，大脑指挥身体，帮助我们避开障碍，平稳行走；而猫、狗似乎不需要这么多对环境的感知和反馈，4条腿的稳定性让它们走路时更大胆；对于蜈蚣，它甚至不需要感知和反馈障碍物，足够多的腿使它在崎岖不平的地方照样平稳爬行。”种八喜说。

在不断的观察和思考中，他灵机一动——蜈蚣机器人有这么多条腿，是否不再需要传感器？不必精确计算前方障碍物的大小和距离？

这天，导师给种八喜推荐了一本《信息论概述》。回到家，他惊喜地发现，这本书就躺在妻子的书架上。种八喜的妻子是生物医学工程学博士，对信息论颇有研究。

那段时间，他们散步时的话题总围绕着信息论展开，讨论升级时还会演变为争吵。“我的思维很飘，有很多异想天开的想法，妻子比较务实，会把我的思绪拉回来。”他笑着说。

香农提出的信息论认为，要想确保消息在有噪声的线路上从A传递到B，不是将其作为模拟信号发送，而是将其分解为离散的数字信号。为了消除噪声的影响，使传输更准确，通常会增加信息冗余。

受此启发，种八喜等人将机器人的身体看作被传输的“信息”，通过数学、物理建模，提出了一个“物质运输”理论框架：给机器人增加腿脚，即空间冗余，可以提高它在复杂环境中稳健移动的能力。这种空间冗余使机器人无须传感器也能移动。

“就算有一条腿踏空，其余的腿也能帮助它移动前行。像是拔河比赛时，一两个人突然绊倒并不会改变整体的移动方向。”种八喜解释说。

无须传感器可轻松穿越农田、废墟

目前，学界和业界对于机器人移动的研究大多围绕传感器展开，利用视觉、力觉、听觉、接近觉、超声波等各类传感器，使机器人能够完成复杂工作。环境越多变、工作越复杂，对传感器的精度要求就越高。

“在公路、铁路上，轮式或4足机器人可以自由移动、运输货物，而一旦到了农田或倒塌的建筑物中，这类机器人通常难以正常工作。”种八喜说，“当进入火星等未知环境时，其局限性会更加明显。”

为了验证蜈蚣机器人的运动性能，研究团队建造起复杂地形模型，通过不断增加腿的数量进行测试，最终从6条增加到16条。他们发现，当腿数达到12条时，机器人便可平稳通过地形模型。

随后，他们把机器人带到草丛和石堆中，在真实环境中再次测试，它依然表现出色。

面对这个能穿越狭小空间的蜈蚣机器人，种八喜总会想起2008年汶川地震时的场景。当时的他正在重庆读初二，地震发生后有许多人被困，当时的惨状让他印象深刻。“当时我就在想，有什么办法能够帮助他们？”种八喜说。

这像一粒种子埋进了他的心里，15年后，这颗种子开了花。

舍弃了昂贵的传感器，蜈蚣机器人的成本大幅降低，仅需1000美元。目前，这一机器人已被应用到导师及合伙人开设的农业公司，将用于那些无法使用除草剂的农田的除草工作。

“我们正在对蜈蚣机器人进行优化，希望能根据实际需要确定其最佳腿数，在复杂系统中寻求能量、速度、功率、稳定性之间的平衡，以便更加经济高效。”种八喜说，“相信未来它能够用于复杂地形的救援工作。”

相关论文信息：

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