一場突發(fā)悲劇敲響了警鐘：2011年日本大地震和海嘯引發(fā)福島第一核電站核事故，給眾多機(jī)器人專家敲響了警鐘。這場事故發(fā)生后，媒體報道高劑量輻射阻礙了工人實(shí)施緊急措施，例如操作壓力閥。其實(shí)這是一項非常合適機(jī)器人的任務(wù)，但無論是日本還是其他國家的機(jī)器人都沒有能力關(guān)閉這個閥門。福島核事故使機(jī)器人界意識到：技術(shù)需要走出實(shí)驗室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。 自福島核事故以來，救災(zāi)機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。世界各地的研究組織演示了可在碎石上行駛的無人駕駛車輛、可通過狹窄縫隙的機(jī)器蛇，以及可從空中繪制現(xiàn)場地圖的無人機(jī)。研究人員還在制造類人機(jī)器人，用于探查災(zāi)害和執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，如操作和讀取儀表面板或運(yùn)送急救設(shè)備。

盡管取得了諸多進(jìn)步，但制造運(yùn)動和決策能力可媲美應(yīng)急人員的機(jī)器人仍然是一大挑戰(zhàn)。推開沉重的門、打開滅火器，以及一些簡單但費(fèi)力的工作都需要一定的協(xié)調(diào)能力，而機(jī)器人尚未掌握這種協(xié)調(diào)能力。 遠(yuǎn)程操作是突破這一限制的一種方法，人類操作人員可以連續(xù)不斷地遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，也可以在特定任務(wù)期間進(jìn)行控制，幫助它超越自我，完成更多任務(wù)。 遠(yuǎn)程操作機(jī)器人長期以來被應(yīng)用于工業(yè)、航空航天和水下環(huán)境。近期，研究人員用動作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗，將人的動作實(shí)時傳輸給類人機(jī)器人：人在揮動手臂時，機(jī)器人也會模仿人的動作。為了獲得完全沉浸式的體驗，特殊的眼罩可以讓操作人員看到機(jī)器人通過攝像頭捕捉到的東西，觸覺背心和手套可以給操作人員帶來觸覺感知。 在麻省理工學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗室，我們的團(tuán)隊正在進(jìn)一步推動人與機(jī)器的融合，意在加速開發(fā)出實(shí)用的救災(zāi)機(jī)器人。在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的支持下，我們正在構(gòu)建遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩部分組成：一個具有靈活、敏捷行為能力的類人機(jī)器人，以及一種新型雙向人機(jī)界面，可以對操作人員的工作和機(jī)器人的動作進(jìn)行雙向傳遞。因此，當(dāng)機(jī)器人踩在廢墟上，開始失去平衡時，操作人員也會感受到這種不穩(wěn)定，并本能地做出反應(yīng)，避免跌倒。我們捕捉到這種身體反應(yīng)，并將其發(fā)送回機(jī)器人，幫助它避免跌倒。通過這種人與機(jī)器人的連接，機(jī)器人可利用操作人員天生的運(yùn)動技能和瞬間的反應(yīng)來站穩(wěn)。

這可以理解為，我們將人腦放入了機(jī)器中。

理想情況下，未來的救災(zāi)機(jī)器人將擁有很大的自主權(quán)。有朝一日，我們希望能夠派遣機(jī)器人獨(dú)自進(jìn)入著火的大樓搜尋遇難者，或者在損壞的工業(yè)設(shè)施中部署機(jī)器人，讓它找到需要關(guān)閉的閥門。我們要走的路還很長，因此越發(fā)對遠(yuǎn)程操作感興趣。 近期，美國國防部高級研究計劃局的機(jī)器人挑戰(zhàn)賽和日本ImPACT Tough機(jī)器人挑戰(zhàn)賽等展示了遠(yuǎn)程操作領(lǐng)域的各種可能性。災(zāi)難現(xiàn)場的不可預(yù)測性是要求人工參與決策的一個主要原因。穿越這些混亂的環(huán)境需要高水平的適應(yīng)程度，目前的人工智能算法還無法達(dá)到這一程度。

例如，如果自主機(jī)器人遇到一個門把手，但無法與數(shù)據(jù)庫中的門把手相匹配，則任務(wù)失敗。如果機(jī)器人的手臂被卡住，但不知如何脫身，則任務(wù)失敗。而人類可以通過現(xiàn)場學(xué)習(xí)和調(diào)整，來處理此類情況。我們每天都在這樣做，我們能夠識別物體形狀的變化，應(yīng)對低能見度情況，可以在現(xiàn)場學(xué)會使用新工具。

人的運(yùn)動技能也是如此。想象一下背著沉重的背包跑步。你可能比沒有負(fù)重跑得慢一點(diǎn)，距離短一些，但你仍然可以執(zhí)行這項任務(wù)。我們的身體可以輕松地進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。 目前正在開發(fā)的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)并不是為了取代腿式機(jī)器人保持自我平衡和執(zhí)行其他任務(wù)的自主控制器。我們?nèi)匀辉跒闄C(jī)器人賦予盡可能多的自主性。但將機(jī)器人與人工結(jié)合，可同時利用兩種優(yōu)勢：機(jī)器人的耐力和力量，以及人的適應(yīng)性和認(rèn)識能力。 我們的實(shí)驗室長久以來一直在探索如何在生物系統(tǒng)的啟發(fā)下設(shè)計出更好的機(jī)器?，F(xiàn)有機(jī)器人無法執(zhí)行所謂的力量操縱——比如敲開一大塊混凝土或用斧頭砸門等費(fèi)大力氣的動作，這是它們的一個特殊局限。大多機(jī)器人都設(shè)計用于比較柔和、精密的移動和溫和的接觸。 我們針對這種需要較大力量的操作，設(shè)計了高效機(jī)器人機(jī)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng)（Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System，HERMES）。HERMES機(jī)器人相對較輕，僅45公斤，但卻很強(qiáng)壯。它的身高大約是普通人的90%，可讓它在人的活動空間中自然地活動。 我們沒有使用常規(guī)的直流電機(jī)，而是借助多年來開發(fā)Cheetah平臺的經(jīng)驗， 制作了專門的執(zhí)行器，為HERMES的關(guān)節(jié)提供動力。Cheetah是能夠做出沖刺和跳躍等爆發(fā)性動作的四足機(jī)器人。執(zhí)行器包括與行星齒輪箱耦合的無刷直流電動機(jī)。所謂的行星齒輪箱中有3個“行星”齒輪圍繞1個“太陽”齒輪旋轉(zhuǎn)，可產(chǎn)生很大的扭矩。機(jī)器人的肩膀和臀部受直接驅(qū)動，而膝蓋和肘部由連接到驅(qū)動器的金屬棒驅(qū)動。因而HERMES不像其他類人機(jī)器人那么僵硬，能夠吸收機(jī)械沖擊，而齒輪不會被撞擊成碎片。

第一次啟動HERMES時，它只有兩條腿，不能獨(dú)自站立，所以我們把它掛在一條背帶上。我們給它的左腿編寫了踢腿程序，進(jìn)行簡單的測試，并將實(shí)驗室內(nèi)視線所及的第一樣?xùn)|西——塑料垃圾桶放在機(jī)器人面前。我們滿意地看到HERMES將垃圾桶踢到房間的另一邊。

為控制HERMES而構(gòu)建的人機(jī)界面不同于傳統(tǒng)的人機(jī)界面，它依賴于操作人員的反應(yīng)來增強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性。我們稱之為平衡反饋界面（Balance-Feedback Inetface，BFI）。 歷經(jīng)數(shù)月時間和多次迭代，BFI開發(fā)完成。最初的BFI理念與斯蒂芬?斯皮爾伯格執(zhí)導(dǎo)的電影《頭號玩家》中出現(xiàn)的全身虛擬現(xiàn)實(shí)套裝有些許相似之處。開發(fā)一直處于設(shè)計階段。我們發(fā)現(xiàn)，追蹤和移動人體中200多塊骨骼和600多塊肌肉并不是一個簡單的任務(wù)，所以我們決定從更簡單的系統(tǒng)著手。 與HERMES配合時，操作人員站在一個邊長約90厘米的方形平臺上。測壓元件測量平臺表面的受力，這樣我們就知道操作人員雙腳踩在了哪個位置。將一組連桿連接到操作人員的四肢和腰部（人體大致的質(zhì)心位置），使用旋轉(zhuǎn)編碼器精確測量1厘米以內(nèi)的位移。其中有些連桿不僅用于傳感，它們還配備馬達(dá)，用于向操作人員身體施加力和扭矩。如果將你綁在BFI上，這些連桿可以向你的身體施加80牛頓的力，足以把你推動。 我們設(shè)置了兩***立的計算機(jī)來控制HERMES和BFI。每臺計算機(jī)運(yùn)行自己的控制回路，但彼此不斷交換數(shù)據(jù)。在每個回路之初，HERMES收集自身姿勢數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與從BFI接收到的操作人員姿勢數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。根據(jù)對比數(shù)據(jù)的不同，機(jī)器人調(diào)整執(zhí)行器，并立即將新的姿勢數(shù)據(jù)發(fā)送給BFI。之后，BFI執(zhí)行類似的控制回路來調(diào)整操作人員的姿勢。此過程每秒重復(fù)1000次。 為了讓雙方能在如此高的刷新速率下操作，我們不得不濃縮共享的信息。例如，BFI只發(fā)送人的質(zhì)心位置和每只手腳的相對位置，而不是發(fā)送操作人員姿勢的詳細(xì)信息。之后，機(jī)器人的計算機(jī)將測量值按HERMES的尺寸比例進(jìn)行縮放，HERMES會參考并復(fù)制這一姿勢。與其他雙向遠(yuǎn)程操作回路相似，這種耦合可能會引起振蕩或不穩(wěn)定。我們通過微調(diào)那些用于映射操作人員和機(jī)器人姿勢的比例參數(shù)，使這種不穩(wěn)定最小化。 在測試BFI時，我們中的一員（本文作者約翰?拉莫斯Jo?o Ramos）主動成為操作人員。畢竟，系統(tǒng)核心部分的設(shè)計師是最適合親身體驗以進(jìn)行調(diào)試的。 在最初的一次實(shí)驗中，我們使用一種早期平衡算法測試HERMES，觀察人和機(jī)器人在耦合時的行為。測試中，一名研究人員用橡皮錘擊打HERMES的上半身。每一次擊打，BFI都對拉莫斯產(chǎn)生類似的震動，拉莫斯反射性地移動身體以保持平衡，從而使機(jī)器人也能把控自己。 到此刻為止，HERMES還只有兩條腿和一個軀干，但我們最終完成了身體的其余部分。手臂使用的驅(qū)動器與腿和手使用的驅(qū)動器相同，由3D打印部件制成，并用碳纖維加固。頭部有一個立體攝像頭，可將視頻傳輸?shù)讲僮魅藛T佩戴的頭罩上。我們還給它加了一頂安全帽。 在另一輪實(shí)驗中，我們讓HERMES在石膏板墻上打洞，用斧頭砸木板，在當(dāng)?shù)叵啦块T的監(jiān)督下用滅火器撲滅可控的火苗。救災(zāi)機(jī)器人不僅需要蠻力，為此HERMES和拉莫斯還合作進(jìn)行了更靈巧的操作，比如把水壺里的水倒進(jìn)杯中。 在每次操作人員綁著BFI模擬執(zhí)行任務(wù)時，我們兜觀察機(jī)器人如何模仿這些動作。此外，我們還研究操作人員的反應(yīng)對機(jī)器人幫助最大的場景。例如，當(dāng)HERMES砸墻時，它的軀體會向后反彈；幾乎在同時，相應(yīng)的力推向操作人員，他反射性地將身體前傾，幫助HERMES調(diào)整姿勢。 我們準(zhǔn)備進(jìn)行更多的測試，但又意識到HERMES太大，太強(qiáng)壯有力，不適用于我們想做的實(shí)驗。雖然類人大小的機(jī)器可以幫助完成實(shí)際任務(wù)，但移動很費(fèi)時間，而且需要采取很多安全措施——畢竟它在揮舞著斧頭！想嘗試更多的動態(tài)行為，甚至是步行都很困難。我們認(rèn)為HERMES需要一個弟弟。━━━━小HERMES是HERMES的縮小版。它使用同樣的高扭矩執(zhí)行器，執(zhí)行器安裝在軀干附近，而不是腿上。這樣腿部就可以更快地擺動。為了使設(shè)計更緊湊，我們減少了肢體運(yùn)動軸的數(shù)量，用機(jī)器人術(shù)語說，也就是降低了自由度，由6個減少到3個，并用簡單的橡膠球替換了原有的兩趾足，每一個橡膠球內(nèi)部都配有三軸力傳感器。 要將BFI連接到小HERMES，也需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。成人和小號機(jī)器人在尺寸上差別很大，當(dāng)我們試圖將雙方的運(yùn)動直接連接起來（如映射人的膝蓋和機(jī)器人膝蓋的位置）時，會導(dǎo)致它出現(xiàn)急促運(yùn)動。我們需要一個不同的數(shù)學(xué)模型來協(xié)調(diào)這兩個系統(tǒng)。我們提出了一個可以跟蹤參數(shù)（如地面接觸力和操作人員質(zhì)心）的模型，這個模型能夠捕捉操作人員想要做出的運(yùn)動的“輪廓”，供小HERMES來執(zhí)行。 在一次實(shí)驗中，我們讓操作人員踏步行進(jìn)，起初很慢，然后加快。我們欣慰地看到小HERMES也以同樣的方式行進(jìn)。當(dāng)操作人員跳起來時，小HERMES也跟著跳了起來。

從我們拍攝的一系列照片中可以看到，人和機(jī)器人幾乎同時躍到半空中。我們還在機(jī)器人腳下放置了一些木頭作為障礙物，機(jī)器人的控制器能夠防止機(jī)器人跌倒。

我們的大部分工作還停留在初步階段，小HERMES無法自由地站立或走動。我們在它背上設(shè)置了一根撐桿，防止它前傾。某種程度上，我們想進(jìn)一步開發(fā)這個機(jī)器人，讓它在實(shí)驗室里甚至是在戶外漫步，就像Cheetah和迷你Cheetah一樣（是的，Cheetah也有一個弟弟）。 ━━━━我們接下來需要應(yīng)對一系列挑戰(zhàn)。其中之一是長時間使用BFI或完成精力高度集中的任務(wù)后，操作人員會感到精神疲勞。我們的實(shí)驗表明，同時控制自己的身體和機(jī)器人，大腦會很快感到疲勞。這在精細(xì)操作任務(wù)（比如往杯中倒水）中尤其明顯。在連續(xù)重復(fù)3次實(shí)驗后，操作人員不得不休息。 解決方案是讓操作人員和機(jī)器共同承擔(dān)穩(wěn)定機(jī)器人的責(zé)任。如果HERMES執(zhí)行的任務(wù)需要操作人員付出更多有意識的努力，那么操作人員不必保持機(jī)器人平衡；自主控制器可以控制機(jī)器人平衡。識別這類場景的一個方法是跟蹤操作人員的視線。凝視的目光表明這是一項耗費(fèi)腦力的任務(wù)，在此情況下，應(yīng)當(dāng)啟用自主平衡模式。 系統(tǒng)的另一個障礙是傳輸延遲，這也是所有遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)面臨的障礙。假設(shè)你正在遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，你的命令和機(jī)器人的響應(yīng)之間有1秒的延遲。你可能仍然能夠遠(yuǎn)程操作，但如果延遲變大，就有可能會失去判斷，無法執(zhí)行操作。我們計劃依靠新型無線技術(shù)，如5G，來提供低延遲和高通量的傳輸。 最后，我們想要探索一些大膽的新設(shè)計。HERMES和小HERMES是雙足機(jī)器人，但救援機(jī)器人不一定必須是雙足式的。四足機(jī)器人就一種有潛力的可能性，它能夠穿越崎嶇的地形，然后用后肢站立來執(zhí)行操作任務(wù)，類似于一些靈長類動物。 我們期望將實(shí)驗室開發(fā)的兩類腿式機(jī)器人Cheetah和HERMES融合在一起，制造出行動迅速的四足機(jī)器人，它們能夠自主進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場，然后變身兩足機(jī)器人，借用經(jīng)驗豐富的急救人員的技能和反應(yīng)能力。我們相信，這些技術(shù)將幫助緊急救援人員更有效、更安全地開展工作。 期待在不久的將來，機(jī)器人能夠做到隨時待命。