《北京晚报》：仿生猫让机器人来个“完美跳”

点击数: | 加入时间:2014-11-21

　　《北京晚报》2014年11月20日（记者牛伟坤）报道：仿生猫让机器人来个“完美跳”
　　如今，机器人已经走下“神坛”，即使对于普通人来说，也不再那么神秘，反而越来越多地成为人们生活中的一部分。现在的机器人能唱歌，能踢球；能思考，能下棋；能跑能跳能蹦跶……机器人似乎是无所不能，正在社会生活中的各个领域发挥着越来越大的作用。
　　但是，凯时KB88宇航学院研究生一年级的陈欢对此还不满足，他发现，机器人虽然能跳，但是在腾空状态下如何完成姿态调整，从而稳稳地落在地面上，还有待提升，“目前跑跳攀爬类仿生机器人，多数模仿动物的四肢动作，而忽略了腰部结构的功能设计。而实际上，动物的腰部结构在姿态调节上发挥着重要作用。”
　　陈欢认为，由于具备越野行走、奔跑、跳跃或者攀爬等高运动性能的仿生机器人，在军事、生命探测和复杂环境作业等方面具有重要应用，近年来相关研究已经成为国内外仿生机器人的研究热点。当前的仿生机器人大多主要依靠外力来调整姿态，而出于运动及防护要求，未来仿生机器人将面临奔跑、跳跃或者攀爬跌落等腾空过程中无外力作用情况下姿态的调整问题。
　　为了探索这一使命，“仿生猫”在这个1992年出生的湖北小伙儿手中诞生了。

合影中间的是陈欢

不像猫的仿生猫　　

　　“你这个机器人一点都不像猫，怎么能叫仿生猫？”9月份在中国科技馆参加全国科普日活动时，陈欢被问到次数最多的就是这个问题。
　　的确，从外表上来看，陈欢手上的“仿生猫”就是一个细长的条状物：以中间的“腰”为节点，分为前后两个部分。陈欢告诉记者，这两部分物体在外力的作用下，形状都不会发生改变，因此称之为“刚体”。两个刚体下部各有一个小的支架，作为落地时的支撑，勉强可以看作是在模拟猫的腿脚。
　　“我们叫仿生猫，并不是真的在还原一只猫，而是模拟了物理学上有趣的‘落猫现象’。”提起自己研究的领域，陈欢显得有些兴奋。
　　在日常生活中，我们常常可以听到“猫有九命”的说法，一只猫从很高的楼上掉下来，多半也能安然无恙，稳稳落地。即使开始是四脚朝天，在下落过程中，猫也总是能迅速地转过身来，当接近地面时，做好安全着陆的准备。“我们的仿生猫模拟的就是真猫的这种能力”，陈欢说，在仿生猫的技术达标之后，他们也曾想过让手中的仿生机器人更为逼真，但是多加一个零件，都会影响到机器人落地时的平衡性，最后只好作罢。
　　陈欢说，这有趣的“落猫现象”曾经困扰过一代又一代的物理学家。原来，在力学上，有个“动量矩守恒定律”，简单来说，一个物体在不受外力的情况下，是不会发生滚转的。而猫在下落过程中居然在不受外力的情况下发生了翻转，曾被认为违背了这一定律。曾有科学家推测，猫是利用尾巴的摆动来调整自己的姿态，但后来有人计算得出，如果单纯靠尾巴的摆动，其摆动速度必须得达到飞机螺旋桨的速度才能实现在空中的姿态调整，因此，这一猜测被推翻。
后来，随着高速摄像技术的出现，科学家们得以将猫落空的动作进行慢放、分解，这才发现了“落猫现象”的奥秘，“双刚体圆锥摆动理论”也得以诞生。陈欢介绍说，在这个理论中，以猫的腰部为分界点，将其前后分别看作是两个刚体，通过刚体做圆锥摆动，从而保证猫在空中不受外力就可以实现姿态调整。

“冯如杯”中大开脑洞　　

　　正是历史上科学家各种版本的讨论和探索，让“落猫现象”在陈欢眼里，显得更为迷人。凭借这“基于猫下落转体原理的仿生机器人”项目，陈欢一举斩获了2013年凯时KB88“冯如杯”学生学术科技作品竞赛一等奖以及唯一的一个创新奖，并在随后的“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中，获得二等奖。
　　这次获奖之前，陈欢其实也走过了一段坎坷路。在大二时，还在沙河校区的陈欢就曾跃跃欲试，想要参加比赛。当时受到上一届比赛的启发，陈欢想要做一辆循迹车，依靠车上的红外传感器对路边的白线发生感应，从而实现循迹车的无人驾驶。陈欢想着，如果能把这项发明应用到城市公路系统，比如说洒水和清洁设备上，将节约大量的人力。但是由于刚读大二，专业知识不足，在白白搭进去一千多块钱之后，陈欢不得不半途而废。
　　但是，正是在冯如杯比赛中，陈欢看到了让人大开脑洞的各种发明创造，拿他本来想做的循迹车来说，不少参赛者的循迹车不仅能沿着直线循迹，还能沿着各种曲线前进；在外观上，也已经做得相当酷炫。这一切，让刚进大学校门的陈欢直呼神奇。
　　也正是在“冯如杯”比赛上，一个学长制作的“四足走路机器人”给陈欢带来了新的灵感，“别人做出了走路机器人，那我能不能做出一个跳的呢？”查了两个星期的资料之后，陈欢找到了指导老师裴旭，聊了自己的创意。看完陈欢的方案，裴老师最开始先给他泼了一盆“冷水”。
　　“裴老师挺感兴趣的，但是觉得难度很大，当时老师跟我说，国外有的研究所花了好几千万，才做出一个能跑的机器人，而能跳的机器人显然要比能跑的更难。”理性分析之后，裴老师还是给了陈欢莫大的支持和鼓励。也正是在裴老师的指导下，陈欢在此前查阅的依靠弹簧、气泵等让机器人弹跳方式的基础上，产生了新的思路：不仅要让机器人跳起来，还要让它完美落地。

真猫实验？下不了手　　

　　正如裴旭老师所言，真正实现机器人空中姿态的调整确实不是一件容易的事儿。除了要恶补理论知识，定做材料、组装、拍摄、模拟……一系列的过程对陈欢和他的队友们来说，都是新的尝试和挑战。
　　为了达到更为准确的实验效果，陈欢曾经尝试过做一个“真猫实验”，用摄像机拍摄下猫在真实场景里下落的过程。然而，在校园里溜达了几天之后，陈欢发现，校园里猫虽多，但是由于受到爱心学生们的喂养，个个都很肥硕，“动作一点儿都不敏捷，我真担心这些肥猫到时候根本翻不过来。”后来，陈欢硬着头皮把目光投向了自己身边的“二蛋”。
　　“二蛋”是陈欢学校团委科技部办公室里一只资历很老的猫，享有着极高的地位，它在凯时KB88的“学龄”甚至要远远超过陈欢；加上团委科技部办公室里有几个女生还是学校“爱猫协会”的成员，陈欢实在不敢轻举妄动。后来，在校园里搜索无果之后，陈欢不得已将“二蛋”诱拐出来，做好万无一失的保护措施，铺好了几十厘米的海绵垫，架好摄像机，就差动手这一步了。然而，在最后一刻，队员们还是放弃了。“实在是不忍心，万一给‘元老’带来什么闪失，不仅得罪了爱猫协会，我们自己也过不了心里这一关。”
　　陈欢说，自从从事“仿生猫”的研究以来，他就没正经休息过，连当时的寒假，也只是过完了春节，就赶在大年初七回到了学校。“裴老师给了我们很大的帮助，我们经常夜闯办公室，为了讨论一个问题，经常耗着裴老师一问就是几个小时。”
　　但是，除了这累累的奖项，陈欢觉得自己最大的收获，还是真正学到了东西。如今，当年奋战的小伙伴，不少都继续读了研。读研后，曾经有队友跟陈欢说，在高强度学了那么多东西之后，研究生读起来都“毫无压力”。

编辑：贾爱平

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