機器人通常無法跑得過動物

功率密度是衡量在任何給定空間內可以處理多少功率的指標。它可以量化為每單位體積處理的功率，單位為瓦特/立方米 （W/m3） 或瓦特/立方英寸 （W/in.3）. 在工業自動化中，優化參數和上升沿死區時間有助于最大限度地減少損耗并提高功率密度。

在功率密度領域，本文解釋了為什么動物比機器人更擅長奔跑。

人們認為兩個基本的機械特性將每個肌肉質量單位描述為電機：其最大工作密度和最大功率密度。

性能差異與敏捷性、穩健性和續航里程有關。我們必須了解導致性能差距的根本原因。讓我們比較一下跑步的五個關鍵子系統中的人工和自然技術：功率、框架、驅動、傳感和控制。

通常，工程技術的性能將達到或超過其生物對應物的性能。

生物學比工程學具有優勢，這源于子系統的更好集成?，F在我們可以確定機器人專家需要克服的四個基本障礙。在這方面，我們重點介紹了具有巨大潛力的有前途的研究領域，這些領域將幫助未來的跑步機器人實現動物級的性能。

從本質上講，動物在腿部運動方面優于機器人。幾十年的研究已經產生了一個具有生物相容性設計的豐富機器人生態系統。

在這里，我們使用廣義的短語“runner”來指代動物和機器人，它們在移動時可以在四肢和地形之間使用不規則的間隔接觸。“Running” 也指對應的行為，不管描述走路還是跳躍等行為更準確。那么，為什么大多數動物能夠比機器人跑得更快呢？

許多動物物種能夠跑得比人類跑步者快。當然，生物和工程跑步者的構造完全不同。機器人是由人類和機械從宏觀尺度的離散組件組裝而成的，而動物則是由納米尺度上生長的各種結構自然形成的。

大多數動物可以跑得比機器人快

誰能贏得機器人和動物之間的賽跑？

為了解決這個問題，美國和加拿大的一個工程師團隊，包括科羅拉多大學博爾德分校的機器人專家和助理教授 Kaushik Jayaram 分析了數十項研究的數據。

答案是響亮的“不”。在幾乎所有情況下，生物有機體，如獵豹、蟑螂，甚至人類動物，都試圖超越它們的機器人對應物。

“作為一名工程師，這有點令人沮喪，”Jayaram 說?！敖涍^ 200 多年的密集工程設計，我們已經能夠將航天器送上月球和火星等等。但令人困惑的是，我們還沒有機器人在自然環境中的運動能力明顯優于生物系統。

Jayaram 希望這項研究能夠激勵工程師學習構建更好、適應性更強、更靈活的機器人。

研究人員得出結論，機器人的失敗不能跑得過動物，這并不歸結為任何一種機器的不足，比如電池或執行器。相反，工程師們可以猶豫的地方是讓這些部分更有效地協同工作。

Jayaram 的實驗室位于科羅拉多大學博爾德校區，里面有毛茸茸的狼蛛，大約有半美元那么大，還有令人毛骨悚然的爬行動物。該實驗室還設計了一款名為 mCLARI2 的獨特機器人（見圖）。

海克·卡布茨準備，設置，開始！由 CU Boulder 的工程師設計的名為 mCLARI 的機器人在蜘蛛旁邊擺姿勢。

根據 Jayaram 的說法，“從某種意義上說，動物是這種終極設計原則的體現——一個可以很好地協同工作的系統。

另一款機器人，受蟑螂啟發的哈佛動態微型機器人 （HAMR），長度是之前 HAMR-VI 的一半，是世界上最小、最快的機器人之一！

Jayaram 評論說，HAMR 大小的機器將能夠爬入飛機發動機或任何其他機械師無法到達的地方進行必要的檢查。他們甚至可能在將來對人類患者進行手術。他說：“我想制造出可以走出實驗室并像蟲子一樣四處亂跑的機器人。

蟑螂被誤解

小時候，我住在紐約布朗克斯的一棟公寓里。我們都有蟑螂要對付。

無處不在的美國蟑螂被稱為“Periplaneta americana”。這種昆蟲是成功爬入機器人研究的最可怕的害蟲之一。然而，它出現在許多家庭的范圍內。

Jayaram 之前建造了一款名為 CRAM（抗壓鉸接機構）的小型機器人。這個手掌大小的機器人由海報板和聚酯制成，具有高度可壓縮、可彎曲的腿，非常迷人，使用機械化組件來提高速度。塑料盾牌模仿昆蟲的翅膀，其可塑性的外層覆蓋了野獸的整個身體。這個神奇的機器人可以在狹窄和開放的空間內表演。

如果蟑螂可以幫助人類（以及我們可以從它們那里學到什么）呢？

CRAM 模仿了蟑螂的主要標志性才能之一——擠入非常狹窄空間的能力。多才多藝的蟑螂可以通過在一秒鐘內將其身體從半英寸壓縮到十分之一英寸來執行這種消失行為。

蟑螂機器人可以用于挽救生命的應用，例如在搜救情況下使用它。它能夠擠過瓦礫，幫助搜救人員尋找通往被困受害者的開口。

大多數人在看到蟑螂時只會感到厭惡。CRAM 證明我們可以從世界上最獨特的生物之一那里學到很多東西。