机器人通常无法跑得过动物

功率密度是衡量在任何给定空间内可以处理多少功率的指标。它可以量化为每单位体积处理的功率，单位为瓦特/立方米 （W/m3） 或瓦特/立方英寸 （W/in.3）. 在工业自动化中，优化参数和上升沿死区时间有助于最大限度地减少损耗并提高功率密度。

在功率密度领域，本文解释了为什么动物比机器人更擅长奔跑。

人们认为两个基本的机械特性将每个肌肉质量单位描述为电机：其最大工作密度和最大功率密度。

性能差异与敏捷性、稳健性和续航里程有关。我们必须了解导致性能差距的根本原因。让我们比较一下跑步的五个关键子系统中的人工和自然技术：功率、框架、驱动、传感和控制。

通常，工程技术的性能将达到或超过其生物对应物的性能。

生物学比工程学具有优势，这源于子系统的更好集成。现在我们可以确定机器人专家需要克服的四个基本障碍。在这方面，我们重点介绍了具有巨大潜力的有前途的研究领域，这些领域将帮助未来的跑步机器人实现动物级的性能。

从本质上讲，动物在腿部运动方面优于机器人。几十年的研究已经产生了一个具有生物相容性设计的丰富机器人生态系统。

在这里，我们使用广义的短语“runner”来指代动物和机器人，它们在移动时可以在四肢和地形之间使用不规则的间隔接触。“Running” 也指对应的行为，不管描述走路还是跳跃等行为更准确。那么，为什么大多数动物能够比机器人跑得更快呢？

许多动物物种能够跑得比人类跑步者快。当然，生物和工程跑步者的构造完全不同。机器人是由人类和机械从宏观尺度的离散组件组装而成的，而动物则是由纳米尺度上生长的各种结构自然形成的。

大多数动物可以跑得比机器人快

谁能赢得机器人和动物之间的赛跑？

为了解决这个问题，美国和加拿大的一个工程师团队，包括科罗拉多大学博尔德分校的机器人专家和助理教授 Kaushik Jayaram 分析了数十项研究的数据。

答案是响亮的“不”。在几乎所有情况下，生物有机体，如猎豹、蟑螂，甚至人类动物，都试图超越它们的机器人对应物。

“作为一名工程师，这有点令人沮丧，”Jayaram 说。“经过 200 多年的密集工程设计，我们已经能够将航天器送上月球和火星等等。但令人困惑的是，我们还没有机器人在自然环境中的运动能力明显优于生物系统。

Jayaram 希望这项研究能够激励工程师学习构建更好、适应性更强、更灵活的机器人。

研究人员得出结论，机器人的失败不能跑得过动物，这并不归结为任何一种机器的不足，比如电池或执行器。相反，工程师们可以犹豫的地方是让这些部分更有效地协同工作。

Jayaram 的实验室位于科罗拉多大学博尔德校区，里面有毛茸茸的狼蛛，大约有半美元那么大，还有令人毛骨悚然的爬行动物。该实验室还设计了一款名为 mCLARI2 的独特机器人（见图）。

海克·卡布茨准备，设置，开始！由 CU Boulder 的工程师设计的名为 mCLARI 的机器人在蜘蛛旁边摆姿势。

根据 Jayaram 的说法，“从某种意义上说，动物是这种终极设计原则的体现——一个可以很好地协同工作的系统。

另一款机器人，受蟑螂启发的哈佛动态微型机器人 （HAMR），长度是之前 HAMR-VI 的一半，是世界上最小、最快的机器人之一！

Jayaram 评论说，HAMR 大小的机器将能够爬入飞机发动机或任何其他机械师无法到达的地方进行必要的检查。他们甚至可能在将来对人类患者进行手术。他说：“我想制造出可以走出实验室并像虫子一样四处乱跑的机器人。

蟑螂被误解

小时候，我住在纽约布朗克斯的一栋公寓里。我们都有蟑螂要对付。

无处不在的美国蟑螂被称为“Periplaneta americana”。这种昆虫是成功爬入机器人研究的最可怕的害虫之一。然而，它出现在许多家庭的范围内。

Jayaram 之前建造了一款名为 CRAM（抗压铰接机构）的小型机器人。这个手掌大小的机器人由海报板和聚酯制成，具有高度可压缩、可弯曲的腿，非常迷人，使用机械化组件来提高速度。塑料盾牌模仿昆虫的翅膀，其可塑性的外层覆盖了野兽的整个身体。这个神奇的机器人可以在狭窄和开放的空间内表演。

如果蟑螂可以帮助人类（以及我们可以从它们那里学到什么）呢？

CRAM 模仿了蟑螂的主要标志性才能之一——挤入非常狭窄空间的能力。多才多艺的蟑螂可以通过在一秒钟内将其身体从半英寸压缩到十分之一英寸来执行这种消失行为。

蟑螂机器人可以用于挽救生命的应用，例如在搜救情况下使用它。它能够挤过瓦砾，帮助搜救人员寻找通往被困受害者的开口。

大多数人在看到蟑螂时只会感到厌恶。CRAM 证明我们可以从世界上最独特的生物之一那里学到很多东西。