麻省理工學(xué)院的Joao Ramos穿著一套遠(yuǎn)程手術(shù)服，將他的身體與HERMES機(jī)器人的身體連接起來。HERMES是一款兩足機(jī)器人，專為應(yīng)對(duì)災(zāi)難而設(shè)計(jì)。拉莫斯的反應(yīng)幫助愛馬仕站穩(wěn)腳跟。

是否還記得日本福島的悲慘事件，許多機(jī)器人專家就是這樣看待福島第一核電站(Fukushima Daiichi)核災(zāi)難的。這場(chǎng)災(zāi)難是由2011年襲擊日本的大地震和海嘯引發(fā)的。事故發(fā)生后的報(bào)道描述了超高的輻射是如何阻止工人們采取緊急措施的，比如操作壓力閥。對(duì)于機(jī)器人來說，這是一個(gè)完美的任務(wù)，但無論是在日本還是在其他地方，沒有人有能力完成它。

自福島核事故以來，災(zāi)難響應(yīng)機(jī)器人已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。世界各地的研究小組已經(jīng)展示了無人駕駛地面交通工具，可以在碎石上行駛，機(jī)器蛇可以擠過狹窄的縫隙，無人機(jī)可以從上方繪制地圖。研究人員還在建造仿人機(jī)器人，可以調(diào)查受損情況，并執(zhí)行一些關(guān)鍵任務(wù)，比如訪問儀表面板或運(yùn)送急救設(shè)備。

但是，盡管有了這些進(jìn)步，制造具有與緊急救援人員相同的馬達(dá)和決策技能的機(jī)器人仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。推開一扇沉重的門，打開滅火器，以及其他簡單但艱巨的工作，都需要機(jī)器人尚未掌握的協(xié)調(diào)能力。

彌補(bǔ)這一限制的一種方法是使用遠(yuǎn)程操作——讓人類操作員遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，無論是連續(xù)的還是在特定任務(wù)期間，幫助它完成比它自己能完成的更多的任務(wù)。

遙控機(jī)器人長期以來被應(yīng)用于工業(yè)、航空和水下環(huán)境。最近，研究人員用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，將一個(gè)人的動(dòng)作實(shí)時(shí)傳輸給類人機(jī)器人:你揮動(dòng)手臂，機(jī)器人就會(huì)模仿你的手勢(shì)。為了獲得完全身臨其境的體驗(yàn)，特殊的護(hù)目鏡可以讓操作者看到機(jī)器人通過攝像頭看到的東西，觸覺背心和手套可以給操作者的身體帶來觸覺。

在麻省理工學(xué)院(MIT)的仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室里，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步推動(dòng)人與機(jī)器的融合，希望能加速開發(fā)出實(shí)用的災(zāi)難機(jī)器人。在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的支持下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在構(gòu)建一個(gè)由兩部分組成的遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng):一個(gè)具有靈活、動(dòng)態(tài)行為能力的類人機(jī)器人，以及一種新型的雙向人機(jī)界面，它可以將你的動(dòng)作發(fā)送給機(jī)器人，而機(jī)器人的動(dòng)作也會(huì)發(fā)送給你。因此，如果機(jī)器人踩在碎片上，開始失去平衡，操作員也會(huì)感受到同樣的不穩(wěn)定性，并本能地做出反應(yīng)，避免跌倒。然后我們捕捉到這種物理反應(yīng)，并將其發(fā)送回機(jī)器人，這也有助于它避免跌倒。通過這個(gè)人與機(jī)器人的連接，機(jī)器人可以利用操作者天生的運(yùn)動(dòng)技能和瞬間的反應(yīng)來站穩(wěn)腳跟。

你可以理解為把大腦放進(jìn)了機(jī)器里。

理想情況下，未來的災(zāi)難機(jī)器人將擁有很大的自主權(quán)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)希望能夠派遣機(jī)器人獨(dú)自進(jìn)入燃燒的大樓尋找遇難者，或者在受損的工業(yè)設(shè)施部署機(jī)器人，讓它找到需要關(guān)閉的閥門。因此，人們對(duì)遠(yuǎn)程操作越來越感興趣。

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)機(jī)器人挑戰(zhàn)賽和日本的ImPACT Tough Robotics挑戰(zhàn)賽是最近展示遠(yuǎn)程操作可能性的項(xiàng)目之一。讓人類參與其中的一個(gè)原因是災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的不可預(yù)測(cè)性。在這些混亂的環(huán)境中航行需要高度的適應(yīng)性，而目前的人工智能算法還無法做到這一點(diǎn)。

例如，如果一個(gè)自主機(jī)器人遇到門把手，但在門把手?jǐn)?shù)據(jù)庫中找不到匹配的門把手，任務(wù)就失敗了。如果機(jī)器人的手臂卡住了，不知道如何脫身，任務(wù)就失敗了。另一方面，人類可以很容易地處理這樣的情況:我們可以隨時(shí)適應(yīng)和學(xué)習(xí)，我們每天都在這樣做。我們可以識(shí)別物體形狀的變化，處理能見度低的問題，甚至可以當(dāng)場(chǎng)想出如何使用新工具。

我們的運(yùn)動(dòng)技能也是如此。比如背著沉重的背包跑步，如果沒有額外的重量，你可以跑得慢一些，或者跑得遠(yuǎn)一些，但是你仍然可以完成這項(xiàng)任務(wù)。我們的身體可以非常輕松地適應(yīng)新的動(dòng)態(tài)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)并不是為了取代自動(dòng)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。我們?nèi)匀辉跒闄C(jī)器人配備盡可能多的自主權(quán)。但通過將機(jī)器人與人類結(jié)合，研發(fā)團(tuán)隊(duì)同時(shí)利用了兩個(gè)世界的優(yōu)勢(shì):機(jī)器人的耐力和力量，以及人類的多功能性和感知能力。

實(shí)驗(yàn)室長期以來一直在探索生物系統(tǒng)如何能激發(fā)出更好的機(jī)器設(shè)計(jì)。現(xiàn)有機(jī)器人的一個(gè)特殊限制是它們無法執(zhí)行我們所說的“力量操縱”——比如敲開一大塊混凝土或用斧頭砸門等費(fèi)力的動(dòng)作。大多數(shù)機(jī)器人都是為更精細(xì)、更精確的運(yùn)動(dòng)和更溫和的接觸而設(shè)計(jì)的。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了類人機(jī)器人HERMES(用于高效的機(jī)器人機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng))，專門用于這種類型的重操作。這個(gè)機(jī)器人重量相對(duì)較輕，只有45公斤，但卻很強(qiáng)壯。它的身體的大小大約是普通人的90%，這足以讓它在人類環(huán)境中自由的活動(dòng)。

設(shè)計(jì)中沒有使用普通的直流電動(dòng)機(jī)，而是利用獵豹平臺(tái)(Cheetah platform)多年的經(jīng)驗(yàn)，為愛馬仕的關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，打造了定制的執(zhí)行器。獵豹平臺(tái)是一個(gè)四足機(jī)器人，能夠做出類似跳躍的突發(fā)性的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括與行星齒輪箱耦合的無刷直流電動(dòng)機(jī)，行星齒輪箱的三個(gè)“行星”齒輪圍繞一個(gè)“太陽”齒輪旋轉(zhuǎn)，因此得名。機(jī)器人的肩膀和臀部是直接驅(qū)動(dòng)的，而它的膝蓋和肘部是由連接到驅(qū)動(dòng)器的金屬棒驅(qū)動(dòng)的。這使得愛馬仕沒有其他類人機(jī)器人那么僵硬，能夠吸收機(jī)械沖擊而不把齒輪摔成碎片。

第一次給愛馬仕通電時(shí)，它還只有兩條腿。這個(gè)機(jī)器人甚至不能自己站立，所以研發(fā)團(tuán)隊(duì)把它掛在安全帶上。作為一個(gè)簡單的測(cè)試，研發(fā)團(tuán)隊(duì)給它的左腿編寫了踢的程序。他們抓住了實(shí)驗(yàn)室周圍的第一樣?xùn)|西——一個(gè)塑料垃圾桶，把它放在機(jī)器人面前?？吹綑C(jī)器人把垃圾桶踢到房間的另一邊。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)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，它依賴于操作者的反射來提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。被稱之為平衡反饋接口，簡稱BFI。

BFI的開發(fā)花費(fèi)了數(shù)月和多次迭代。最初的概念與Steven Spielberg執(zhí)導(dǎo)的電影《頭號(hào)玩家》中的全身虛擬現(xiàn)實(shí)套裝有些相似，那個(gè)設(shè)計(jì)從未離開過繪圖板。而追蹤和移動(dòng)一個(gè)擁有200多塊骨頭和600多塊肌肉的人的身體并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)，所以研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定從一個(gè)更簡單的系統(tǒng)開始。

為了與愛馬仕合作，操作員站在一個(gè)側(cè)面約90厘米的方形平臺(tái)上。測(cè)壓元件測(cè)量平臺(tái)表面的力，所以我們知道操作員的腳往下推的位置。一組連接到操作者的四肢和腰部的連桿，使用旋轉(zhuǎn)編碼器精確測(cè)量位移。但其中一些連桿并不僅僅用于傳感:它們也有馬達(dá)，用于向操作者的軀干施加力和扭矩。如果你把自己綁在BFI上，這些連桿可以給你的身體施加80牛頓的力，足以給你一個(gè)很好的推力。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)置了兩***立的計(jì)算機(jī)來控制HERMES和BFI。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都能運(yùn)行自己的控制回路，雙方不斷地交換數(shù)據(jù)。在每個(gè)循環(huán)的開始，HERMES收集關(guān)于其姿態(tài)的數(shù)據(jù)，并將其與從BFI接收到的關(guān)于操作員姿態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。機(jī)器人根據(jù)數(shù)據(jù)的不同調(diào)整其執(zhí)行器，然后立即將新的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給BFI。BFI執(zhí)行類似的控制循環(huán)來調(diào)整操作員的姿態(tài)，這個(gè)過程每秒重復(fù)1000次。

為了使雙方能夠以如此快的速度運(yùn)作，必須濃縮他們共享的信息。例如，BFI只發(fā)送人的質(zhì)心位置和每只手和腳的相對(duì)位置，而不是發(fā)送操作員姿態(tài)的詳細(xì)表示。然后，機(jī)器人將這些測(cè)量值按比例縮放到HERMES的尺寸，HERMES會(huì)復(fù)制出參考的姿態(tài)。與任何其他雙向遙操作回路一樣，這種耦合可能導(dǎo)致振蕩或不穩(wěn)定。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過微調(diào)比例參數(shù)來最小化這一點(diǎn)，這些參數(shù)映射了人類和機(jī)器人的姿態(tài)。

圖：為了測(cè)試BFI，其中一個(gè)人自愿做操作員

在最初的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研發(fā)人員測(cè)試了HERMES的一個(gè)早期平衡算法，以觀察人類和機(jī)器人在耦合時(shí)的行為。測(cè)試中，一名研究人員用橡膠槌擊打愛馬仕的上半身。每一次攻擊，BFI都會(huì)對(duì)拉莫斯產(chǎn)生類似的震動(dòng)，拉莫斯會(huì)反射性地移動(dòng)身體以恢復(fù)平衡，從而使機(jī)器人也能抓住自己。

到目前為止，愛馬仕還只是一條腿和一個(gè)軀干，最后研發(fā)人員還是完成了他的全貌。其中手臂使用的驅(qū)動(dòng)器與腿和手使用的驅(qū)動(dòng)器相同，由3d打印部件制成，并用碳纖維加固。頭部有一個(gè)立體攝像頭，可以將視頻傳輸?shù)讲僮鲉T佩戴的耳機(jī)上。

在另一輪實(shí)驗(yàn)中，研發(fā)人員讓愛馬仕砸穿干墻，用斧頭砸木板，在當(dāng)?shù)叵啦块T的監(jiān)督下，用滅火器撲滅了一場(chǎng)可控的大火。不過，災(zāi)難機(jī)器人需要的不僅僅是蠻力，還需要更靈巧的操作，比如把水壺里的水倒進(jìn)杯子里。

在每種情況下，當(dāng)操作員在BFI上模擬執(zhí)行任務(wù)時(shí)，觀察機(jī)器人如何很好地反映這些動(dòng)作。還研究了操作員的反應(yīng)對(duì)機(jī)器人幫助最大的場(chǎng)景。例如，當(dāng)愛馬仕擊打干墻時(shí)，它的軀干會(huì)向后反彈。幾乎同時(shí)，一個(gè)相應(yīng)的力推動(dòng)了操作員，他反射性地向前傾，幫助赫爾墨斯調(diào)整它的姿勢(shì)。

研發(fā)人員準(zhǔn)備進(jìn)行更多的測(cè)試，但是HERMES對(duì)于想做的許多實(shí)驗(yàn)來說太大太強(qiáng)大了。雖然人類規(guī)模的機(jī)器可以讓你完成現(xiàn)實(shí)的任務(wù)，但移動(dòng)起來也很費(fèi)時(shí)，而且需要很多安全措施——它揮舞著斧頭!嘗試更多的動(dòng)態(tài)行為，甚至是步行，都被證明是困難的。研發(fā)人員最終決定愛馬仕需要一個(gè)小助手。

小愛馬仕是愛馬仕的縮小版，和它的老大哥一樣，它使用定制的高扭矩執(zhí)行器，安裝在離身體更近的地方。這種配置允許腿擺動(dòng)得更快。為了更緊湊的設(shè)計(jì)，研發(fā)人員減少了運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量或者自由度，在機(jī)器人parlancf中，每個(gè)肢體從6個(gè)減少到3個(gè)，并且研發(fā)人員用簡單的橡膠球替換了原來的兩趾腳，每個(gè)橡膠球內(nèi)部都有一個(gè)三軸力傳感器。

將BFI連接到小HERMES需要進(jìn)行調(diào)整。一個(gè)成年人和這個(gè)小一點(diǎn)的機(jī)器人在尺度上有很大的不同，當(dāng)研發(fā)人員試圖將他們的運(yùn)動(dòng)直接聯(lián)系起來——繪制出人類膝蓋和機(jī)器人膝蓋的位置的時(shí)候——結(jié)果導(dǎo)致了劇烈的運(yùn)動(dòng)。這需要一個(gè)不同的數(shù)學(xué)模型來協(xié)調(diào)這兩個(gè)系統(tǒng)。最后提出的模型跟蹤參數(shù)，如地面接觸力和操作者的質(zhì)心。它捕捉了一種“輪廓”的操作員的意圖的運(yùn)動(dòng)，這是小HERMES能夠執(zhí)行。

在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們讓操作員先慢慢地走，然后再加快。很高興看到小HERMES也以同樣的方式行進(jìn)。當(dāng)操作員跳的時(shí)候，小HERMES也跳了。

在拍攝的一系列照片中，你可以在半空中看到人類和機(jī)器人。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跌倒。

這大部分工作還只是雛形，小HERMES不能自由地站立或走動(dòng)。它背上有一根撐桿，防止它向前傾。在某種程度上，研發(fā)人員想進(jìn)一步開發(fā)這個(gè)機(jī)器人，讓它在實(shí)驗(yàn)室里漫步，甚至在戶外漫步，就像我們對(duì)獵豹和迷你獵豹所做的那樣。

下一系列挑戰(zhàn)其中之一是在長時(shí)間使用BFI或執(zhí)行需要高度集中注意力的任務(wù)后，操作員會(huì)感到精神疲勞。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)你不僅要控制自己的身體，還要控制一臺(tái)機(jī)器時(shí)，你的大腦會(huì)很快疲勞。這種效果在精細(xì)操作任務(wù)中尤其明顯，比如往杯子里倒水。連續(xù)做了三次實(shí)驗(yàn)后，操作員不得不休息一下。

這里的解決方案是讓操作者和機(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)需要操作者付出更多有意識(shí)的努力，那么操作者也不必保持機(jī)器人的平衡;一個(gè)自主控制器可以控制機(jī)器人的平衡。識(shí)別這類場(chǎng)景的一種方法是跟蹤操作者的視線。固定的凝視表明這是一項(xiàng)耗費(fèi)腦力的任務(wù)，在這種情況下，自主平衡模式應(yīng)該發(fā)揮作用。

系統(tǒng)或任何遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的另一個(gè)障礙是傳輸延遲。假設(shè)您正在遠(yuǎn)程控制一個(gè)機(jī)器人，您的命令和機(jī)器人的響應(yīng)之間有1秒的延遲。你可能仍然能夠遠(yuǎn)程操作它，但如果延遲變得更大，可能會(huì)開始感到迷失方向，無法執(zhí)行操作。所以依靠如5G新的無線技術(shù)，可提供低延遲和高吞吐量傳輸。

最后，研發(fā)人員又有了一些大膽的新設(shè)計(jì)。雖然HERMES和小HERMES是兩條腿的機(jī)器人，但沒有真正的理由說明救援機(jī)器人應(yīng)該是這樣。這種機(jī)器可以用四條腿行走，穿越具有挑戰(zhàn)性的地形，然后用后肢站立，執(zhí)行操作任務(wù)，就像一些靈長類動(dòng)物那樣。

這個(gè)研發(fā)的長期愿景是將實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的兩種腿機(jī)器人:獵豹(Cheetah)和HERMES合并。結(jié)果將是一個(gè)可以自主地進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)快速移動(dòng)的四足機(jī)器人，然后轉(zhuǎn)變成一個(gè)兩足機(jī)器人，可以借用有經(jīng)驗(yàn)的第一反應(yīng)者的技能和反應(yīng)能力。這些技術(shù)將幫助緊急救援人員更好、更安全地開展工作。