雙足機器人開步走

2015年6月某日，在美國洛杉磯東邊約50公里的波莫納市，普瑞特（Jerry Pratt）看到螢幕顯示著南加州午後的蔚藍天空，心想大事不妙。天空不是問題所在，而是拍攝到此畫面的攝影機，裝在一具非常昂貴而複雜、綽號「奔跑者」（Running Man）的人形機器人頭上。螢幕顯示天空的原因只有一個：原本應該矯捷踏上一小堆煤渣磚的機器人，現在卻倒地不起、手足無措。

普瑞特沒看見機器人怎麼跌倒，但聚集在美國國防高等研究計畫署（DARPA）機器人挑戰賽（DRC）現場的機器人專家、媒體記者與觀眾都目睹了這一幕。弗羅里達州人機認知研究所（IHMC）的普瑞特及同事正與其他24組團隊競爭200萬美元的大獎，此時「奔跑者」就像等待導演喊卡的喜劇演員，僵硬躺在地上，右腳筆直伸向空中。接著重力開始發揮作用，機器人的髖部與軀幹倒向一側，笨重的右腳則慢慢落到地上，雙臂展開呈雪天使般的大字形。

這顯然不是普瑞特與同事希望看到的結果。他們與卡內基美倫大學、麻省理工學院（MIT）等頂尖機器人實驗室的團隊競爭，希望證明機器人也能做到一般四肢健全的人類習以為常的事。DRC的參賽機器人必須在60分鐘內，駕駛一輛小型吉普車、下車打開一扇關著的門、進入建築物，接著清除走廊上的破瓦殘礫、穿越一堆煤渣磚、撿起一具電動工具，並用它切開一片石膏牆，最後轉動一具大型金屬閥門、走上一小段樓梯。多數機器人都能夠完成其中幾項任務，但常常跌倒。

競賽結束後六個月，普瑞特已回到朋沙科拉市的實驗室。他回憶這次經驗，想告訴那些擔心機器人即將統治全世界的人：「走路，真的很難！」

嬰兒學步不簡單

走路，真的很難。只要觀察兩歲以下的孩童學步，或曾受過傷而正在做復建來重新練習走路的病人就知道。但步行有什麼難的？畢竟人類行走的歷史超過數十萬年，而鴕鳥這類雙足動物已經步行了超過數百萬年。康乃爾大學機械工程系的教授魯伊納（Andy Ruina）從1992年開始研究雙足運動並設計機器人，他說：「有些人看到嬰兒會走路，便直覺認為步行一定很簡單，但實際上嬰兒能做出各種我們仍不了解的事。」

嬰兒學步的困難之處可以用一個詞概括：靈活度。雙足運動需要整合跨步、平衡、維持動量、修正錯誤與適應地形等複雜行為，缺一不可。只要任何一項功能稍有失常，一般健康成人理所當然的流暢步伐，很快就會變成笨拙、無力而萎靡的動作。

生物靈活度讓我們在行走時能夠展現各種特性。首先，精確控制：我們藉由感官尋找可靠的立足點。其次，適應性很強：遇到意外或失足時，我們多半能自行修正步行動作。再者，效率極高：我們不必耗費大量時間、能量或心力便能輕鬆行走，甚至邊走邊嚼口香糖。

數百萬年來的演化，賦予人類行走所需的生物靈活度（暫不論幼兒得花數年練習走路）；我們透過視覺、觸覺與本體感覺學習步行控制與平衡。當我們無意間踩上石頭時，能夠立即反應而不會每次都摔個狗吃屎；即使跌倒了，也有柔韌組織包覆堅硬骨骼以保護我們。最後，我們踏出的每一步都是高效率的機械交響樂：肌肉與肌腱能在這一刻被動吸收衝擊，下一刻便主動產生推力；脊椎神經能維持週期性的運動模式，指揮雙腳朝正確的方向邁出，大腦得以處理更重要的事務。

因為雙足機器人無法同時做到人類（甚至雞）行走具備的精確控制、適應性與高效率，因此讓機器人步行真的很難。由日本本田公司研發、外表如太空人的知名機器人Asimo，特別著重「控制」，在踏出每一步前，都得仔細計算所需的力道、軌跡與動量。在波士頓動力公司爆紅的影片中，新一代亞特拉斯（Atlas）機器人則強調「適應性」，著重速度與平衡而非精確控制；亞特拉斯能徒步穿越積雪的森林，跌倒後還能自動站起來。

「奔跑者」與其他幾具參加DRC的機器人也是參考亞特拉斯修改而成；例如美國喬治亞理工學院的研究人員艾姆斯（Aaron D. Ames）正研發一具沒有頭與手的雙足機器人DURUS，他根據多達幾百頁的複雜數學方程式，來計算機器人身體所能展現的各種姿勢；俄勒岡州立大學的機械工程師赫斯特（Jonathan Hurst）則使用描述鳥類在地面奔跑的基本物理模型，建造一具相對簡單的機器人ATRIAS。

儘管他們的做法稍有不同，但都著重「效率」。不過，也有人採取混合策略，例如在DRC獲得亞軍的「奔跑者」，普瑞特採用一種方法「擷取點」（capture point），希望達到Asimo的精確控制與亞特拉斯的適應性。儘管每種做法各有千秋，但還沒有機器人能同時滿足人類行走所需的效率、彈性、速度與控制。

或許工程師根本不必煩惱如何建造步行機器人。南韓科學技術院（KAIST）的首席機器人專家吳俊鎬（Jun Ho Oh，音譯）便採取盡量避免雙足運動的策略：在機器人的膝蓋與腳掌裝上輪子，競賽過程中大多以穩定跪姿在地上滑行，最終贏得DRC大獎。畢竟萊特兄弟發明飛機時，並沒有盲目模仿鳥類的拍翅飛行。

然而打造步行機器人仍然吸引人。最顯而易見的理由與猶太人的泥人傳說一樣古老：借助更強壯而優秀的人造人，完成對血肉之軀過於艱難、危險或乏味的工作。DARPA把DRC場地模擬成2011年日本福島核電廠爐心熔毀的狀況：如果當初有機器人能駕駛汽車進入廠內，爬上幾階樓梯，穿過佈滿破瓦殘礫的走廊，然後轉動幾道閥門或開關，災情或許就不會如此慘重。救災任務只是其中一項應用，諸如辦公室遠端遙控（或稱遙現）、家庭助手、包裹遞送、保安巡邏、安全戒護、資源探勘與採集，都能借助人形機器人提高效率並實現自動化。普瑞特說：「就我所知，現有生物或機械結構中，沒有比人形機器人更適合陸地運動的。」

建造雙足機器人也有其他十分重要的益處。艾姆斯指出，透過建造模仿人類運動的機器人，能協助我們更了解步行原理。他說：「如果我們能讓機器人像人類一樣走路，便能幫助許多無法走路的人。」

人類建造雙足機器人的夢想與人工智慧（AI）的目標類似，都是擁有不受限制的萬能機械。如果AI是終極的思考機器，那麼人形機器人便是終極的「工具人」：一種真正的萬能機械，能勇闖未知環境，利用人類已發明的工具完成任務。吳俊鎬說：「建造人形機器人的唯一目的就是擁有萬能機器人。或許不是每個地方都需要雙足機器人，但某些情況非它不可，我們便是在為這種情況做好準備。」