仿人机器人设计中的飞跃可能对人体意味着什么

到了火车站才发现下一班车还要等15分钟才到，这是生活中常见的情景。假如不用等那么久，一个骑自行车的机器人能负责解决交通，那该多好呢。德国进行的一项研究项目如能成功，上述假想有朝一日或成现实。

Roboy 2.0是德国慕尼黑工业大学（TUM）的一项雄心勃勃的跨学科项目，旨在设计与人类最接近的机器人。Roboy已能够骑自行车、握手、讲话。它还可以弹木琴。因涉及力度变化，弹木琴对于机器人来说是一项极其复杂的任务。

今年夏天，Roboy 2.0将能够站在摊位上卖冰淇淋；到2020年，它将能够进行基本的医疗诊断。该研究完全是开源的，将为机器人、医疗保健、人工智能和视听数据处理的进一步发展奠定基础。

担任Roboy项目总经理超过六年的Rafael Hostettler说：“我们的目标是建造一个像人体一样起作用的仿人机器人。我们希望这个机器人能像人一样移动，并且能看、听、像我们一样与人互动。”

为了实现这一目标，一支由100多名TUM在校生和校友组成的包括各个学科专家的团队与全球很多科学家合作开发机器人。合作伙伴包括斯德哥尔摩的KTH皇家理工学院（神经修复学）、香港中文大学（控制机器人的算法）、牛津大学（人工肌腱在生长时的加载）和TUM（机器人技术、实时系统和产品开发方法）。

Roboy是人脑工程的一部分，该工程是一项旨在进一步推动神经科学、计算机和与脑有关的医学的欧洲旗舰计划。Roboy近似于生物体，它复杂、非线性，可根据不同的情况作出相应的反应。Roboy与人类系统的相似性对神经科学家具有启发性。Hostettler表示，Roboy项目可以“为汇总神经科学的研究提供必要的基础设施，从长远来看，还能促使人们对人类大脑有一个更全面的了解”。

减少尺寸，提高敏捷性

要想在如此细枝末节的层次对人体进行机械复制必须付出很大的代价。工程师使用先进的技术方法，如3D打印、衍生式设计和其他过程，来复制骨骼、肌肉和肌腱，而不是简单地用马达替换关节，后者为普通机器人常用的构造方法。

Hostettler说：“Roboy使用所谓的肌肉单位，因其试图模仿人体肌肉骨骼系统。虽然这让Roboy更难控制，但这是对人体的合理模仿，使我们可以对如何构建与人体兼容的机器人（例如外骨骼）以及可整合到人体中的机器人和机器人部件（如植入物和假肢）有了可贵的理解。”

结构、重量和骨样组分的组成在其中起重要作用。欧特克Fusion 360中的衍生式设计功能可帮助科学家显著减少重要组件的重量，同时保持稳定性。

Hostettler说：“如果我们在手部减少一点重量，就会减少臀部承受的力量，而且还意味着我们可以让臀部也轻一些。这进一步意味着我们可以减少其他每一个组件的重量，因而令Roboy更加敏捷。”

目的就是让Roboy学习如何独立行走。但要让Roboy迈出第一步，稳定轻巧的框架必不可少，而这可以通过衍生式设计实现。

Hostettler说：“通常情况下，有两个主要驱动因素可以保证衍生设计。首先，减轻重量，这对于远离质心的部件（例如头部外壳）或受到来自多个方向的力并且传统上相当笨重的部件（例如臀部）尤其重要。其次，在如何可以将多个部件简化为一个部件方面，我们仍然在探索如何可以最有效地使用衍生式设计。”

目前正在使用衍生式设计来开发机器人的臀部。由于使用了云计算，团队只需要三天时间便可开发出初始原型。衍生式设计将用于头骨背部的发育；脊柱和Roboy的可移动部件将在中期进行优化。

用于快速原型制作的3D打印

Fusion 360设计可以直接用于3D打印，创建的文件可以直接转换为3D打印品，并不复杂。Roboy 2.0几乎所有的零件都采用激光烧结并用类似塑料的材料进行3D打印。

Hostettler说：“传统的铣削零件需要大约六到八周的时间才能交付，这对于快速产品开发来说太久。用这么长时间我们通常能开发三到四个新版本。”

3D打印的几何自由度令团队设计组件可以不受任何来自制造方面的限制。此外，无工具生产省时省钱。

人体2.0

虽然Roboy 2.0的主要目的是研究和创新，但是，在其开发过程中获得的知识已经在其他领域产生了影响。Hostettler说：“跟神经科学以外常用的人体模型相比，Roboy的肌肉骨骼性质产生的人体模型更具有生物特性，而且是对普通人体模型的很好的延续。”

因此，该模型对于开发创新型假肢非常宝贵。神经科学家还利用Roboy 2.0项目中获取的知识，对人体如何协调600多块肌肉之间的相互作用有了更多认识。

Hostettler说：“在控制一个生物体的时候需要一定的复杂技能，而Roboy也会产生同样复杂的难题需要攻克。如果我们可以控制好像Roboy这样的机器人，那么在将来验证时我们的技术含量就要强得多，而相比之下，工业机器人就逊色不少，，因为它的动力运作跟Roboy不同，而且要比任何生物系统都简单得多。”