就像一位世纪之交的猎人从一次非洲狩猎归来，弗兰克·梅扎泰斯塔（Frank Mezzatesta）站在一个巨大的木箱旁，他兴高采烈地说里面装着一些野生的东西，一种人类从未见过的野兽。他迫不及待地想展示它。随着鼠标的点击，箱子的前面摔到地上，露出了一个高达 13 英尺、长 18 英尺、重达 11,000 磅的巨大金属怪物——这相当于一辆满载的送货卡车的基本数据。这只生物似乎停顿了一下，然后向前移动。它以一种深思熟虑但却出人意料的敏捷步伐，跨过地板，像猫一样优雅地转移重心，依次抬起每只脚。它靠近一小群人，然后向他们倾斜，然后左右摇摆，仿佛在犹豫是冲上去、吃掉他们，还是忽略他们。“在之前的演示中，一名女子站起来就跑了，”梅扎泰斯塔说。然后，这只野兽向后退了几步，稍微转过身，开始跳舞。它左右转动了 7 度，脚不离地，大幅度地摆动身体，膝盖弯曲 15 英寸深。在被送回箱子之前，一些勇敢的观察者走上前去仔细观看。
梅扎泰斯塔不是一个大型猎物猎人；他是一名工程师，他驯服的野兽是一台名为“迪诺”（Dino）的机器人。它是建造过的最大的有腿、并且没有人类驾驶的机器人。它拥有自己的动力，在收到“向前移动”等基本指令后可以自主移动。最终，迪诺的一个版本可能会被覆盖上一层皮肤，使其看起来更像三角龙。如果具有挑战性的问题得以解决，它可能会被释放到主题公园里自行漫游。一个能够知道自己在哪里、能够做出自己的决定、并且能够像活着的动物一样轻松移动的机器，长期以来一直是机器人学家们的圣杯。即使是小型轮式机器人，也还没有人能够实现这一壮举。
要理解迪诺的发明者们在尝试什么，想象一下这个庞然大物被覆盖着一层使它看起来像恐龙的外壳。然后想象它在独自自由漫游——这是世界上第一个真正自主的机器人。摄影：Jan Staller
迪诺由华特迪士尼幻想工程研发部（Walt Disney Imagineering Research and Development）孕育，由 20 世纪 80 年代发明大规模并行超级计算机的丹尼·希利斯（Danny Hillis）构思。“我一直想建造一个机器人恐龙，”希利斯说，他作为迪士尼研究员（Disney Fellow），从 1998 年到 2000 年领导了迪诺项目，之后他联合创办了 Applied Minds, Inc.。他的工程师和科学家团队来自麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）和加州大学洛杉矶分校（University of California at Los Angeles）等大学。他们在伯班克机场附近一栋大型仓库的一个隔离区域工作。机器人的一侧是一排计算机，他们在这里创建了迪诺的大部分软件，还有一台无线控制台，可以向机器人发送简单的指令，如“向后走”。
许多机器人每个关节都有电机，尤其是膝盖。迪诺的膝盖只是将动力从机器人的臀部传递过去，保持腿部轻盈且惯性低。摄影：Jan Staller
除了这些指令，迪诺本身就携带了控制自身所需的一切——来自 55 块密封铅酸电池组的动力，驱动每条腿的三台电动机，每条腿一台 700 兆赫兹的奔腾处理器，以及一台中央计算机，用于接收指令、从板载内存加载合适的软件并协调每条腿的响应。一个陀螺仪告诉机器人它倾斜了多少度，每只脚踝上的激光测量地面距离，以帮助计算应该如何迈步。传感器告诉迪诺每个电机旋转了多少以及机器人实际移动了多远。机器人不断地比较反馈读数，以确保多个测量结果是有意义的。它还监测电机的电流峰值或高温，以确定是否施加了过大的力，并跟踪速度和加速度限制。
迪诺令人印象深刻，但它仍然是一个正在进行中的项目。希利斯最初想用一辆克尔维特 V-8 发动机来驱动机器人，通过该发动机对充满油的液压驱动器加压。对该设置的测试结果表明它太吵且笨重。现在，平稳、安静的电动机和电池取代了汽油发动机和软管。
从模拟创建全尺寸的迪诺是一项工程挑战。“如果你只是把一只蚱蜢放大到大象那么大，它就会把自己压垮，”希利斯说，因为尺寸的增加会成倍增加重量。将任何东西放大一倍，它的重量会增加八倍，所以它所有的支撑都必须更厚——这会使其更重。这种额外的质量反过来会大大增加动量，因此需要更大的动力来让机器人启动并停止。“物体放大得越大，它就变得越具动态性，”麻省理工学院人工智能实验室腿部实验室（Leg Lab）的负责人吉尔·普拉特（Gill Pratt）说，他的团队正在建造自己的、但要小得多的步行恐龙（见下文“双足行走”）。机器人越具动态性，步行时就越难保持平衡。
摄影：Jan Staller
年龄：3 岁创造者总数：25 人身高：12 英尺 11 英寸长度：18 英尺 2 英寸宽度：8 英尺重量：11,384 磅
电机：12 台板载处理器：5 台内存：5.1 GB电池：55 块密封铅酸电池步行电池续航：90 分钟
传感器：45 个步长：39 英寸最大抬腿高度：19 英寸步行时一条腿的受力：5,500 磅抬起一只脚时身体的形变量：2 英寸
带腿的小型机器人也更容易制造，因为它们即使摔倒也不会造成太大损坏——它们的坠落高度不高，质量也不大。“如果这个东西倒下了，我们会陷入大麻烦，”项目中的机械工程师阿基尔·马达尼（Akhil Madhani）说。马达尼和其他设计者将所有电机放在肩部，然后使用一系列铝制连杆和钢制滚珠丝杠将动力传递到膝盖和脚踝，从而使迪诺的腿部保持轻盈。尽管如此，当迪诺抬起一只脚时，它的身体会弯曲约两英寸，这会将振动传遍整个底盘。“如果你有上万磅的东西在振动几英寸，那么受力是巨大的，可能会前后有几千磅的力，”参与机器人软件开发的数学家亚历克西斯·维兰德（Alexis Wieland）说。“所以所有的行走都比你认为的必要要平稳得多，因为任何身体的颠簸都会产生巨大的力。”更糟糕的是，当迪诺抬起一只脚时，框架的弯曲会改变仍然接触地面的三只脚之间的距离，试图将它们拉开。通过监测电机电流，由于受力增加而导致电流飙升，迪诺可以进行补偿。“这是一种更高级别的智能，它说：‘我正好在我想要的位置，但是，天哪，我正在和自己搏斗。我只要在这里移动几毫米，哦，好了，电流降低了，’”梅扎泰斯塔说。
迪诺的每条腿的连杆看起来都像一个平行四边形。“如果你移动平行四边形的一个角度，其他所有角度都会移动，”亚历克西斯·维兰德说。但在最终应用中，使用两个连接的平行四边形“要棘手得多”。摄影：Jan Staller
当迪诺的传感器与其软件或彼此之间不一致时，它就会停止。“它是真正自主的；没有预先规划的轨迹，”维兰德说。在没有任何人为干预的情况下，迪诺可以调整重心并移动脚，直到电机传感器告诉它已经恢复到原来的起始姿态。尽管如此，团队还是不得不学会信任迪诺。“当你看着一个东西即时生成轨迹，你事先不知道它要做什么，而且如果它做错了事情整个东西都可能倒下，看到它做对了事情感觉非常好，”马达尼说。“但这会让你心跳加速。”
现在迪诺应该能够应对不平坦的地面或爬坡，工程师们计划很快带它到户外进行测试。迪诺还没有能够告诉它自己在地球上哪里以及如何避开人群等障碍物的传感器。在它能够自行奔跑之前，所有这些都是必需的。“但我不会太担心这一点，因为其中很多已经为轮式移动机器人开发了，”马丁·布勒（Martin Buehler）说，他曾在蒙特利尔麦吉尔大学（McGill University）的步态机器人实验室（Ambulatory Robotics Lab）制造过小型、会奔跑的四足机器人。他对迪诺的工作印象深刻。“所有这些机器人的难题只是要正确处理基本的机械、动力学和控制。”
迪诺拥有激光陀螺仪，为其提供了一种“类似于内耳”的平衡机制，“希利斯说。“但现在它不够聪明，无法利用这一点。一旦它开始能够这样做，感觉到自己要绊倒并能够站稳，我认为它会看起来越来越自然。但这是一项巨大的软件工作，而且以前没有人做过，所以需要很长时间。我认为最终会有很多这样的东西在周围行走。有些会看起来像机器人，有些会看起来像龙，有些会看起来像大型动物，如犀牛或猛犸象或想象中的动物，各种各样的东西。”布勒指出，像迪诺这样的腿式机器人还可以执行非凡的服务，如消防、处理核和化学危险品、拆除炸弹、搜索地雷，甚至探索外太空。布勒指出，所有这些活动的关键在于腿部比迪诺的腿部更优越的机动性。
然而，在那台巨大的机器人能够去任何地方之前，它必须能够自己决定下一步应该把脚放在哪里，而不是踩到别人。迪士尼研发主管埃里克·哈塞尔廷（Eric Haseltine）说，他的幻想工程师团队已经在为虚拟现实生物开发此类人工智能技术，这些程序可能会被重新用于像迪诺这样的实际机器。“这是一个试验台，将我们引向智能、自主控制的角色的路线图，”他说。“我们希望它们能够自行移动、做出反应、学习和表现。”
摄影：Jan Staller
自由漫游的自主恐龙很可能会让我们惊叹和着迷，但它们仍然是计算机运行的机器，因此不太可能完美运行。因此，无论它们变得多么独立，哈塞尔廷认为，总会有人在附近监视——手指放在紧急停止开关上。
双足行走
并非所有古代爬行动物都是巨大的。例如，恐爪龙（Troödon）是一种晚白垩世恐龙，体长可达六英尺，高四英尺。在过去的四年里，麻省理工学院腿部实验室的机器人研究员彼得·迪尔沃思（Peter Dilworth）建造了一个 10 磅重的该恐龙版本，名为特鲁迪（Troody），这是第一台双足恐龙机器人。迪尔沃思咨询了古生物学家格雷戈里·S·保罗（Gregory S. Paul），以确保其尺寸尽可能真实地还原根据化石。“特鲁迪有 16 个电动机，分布在它的臀部、膝盖、脚踝、脚和尾巴上。每个电机上有两个传感器，将关节角度和受力读数输入车载计算机，还有一个陀螺仪用于感知哪个方向是“上”以及机器人正在向哪个方向移动。当迪尔沃思启动机器人时，它从像巢中的鸟一样的蹲姿开始，然后站起来轻轻摇晃，然后获得平衡。尽管迪尔沃思通过操纵杆向特鲁迪发出“向前移动”等指令，但机器人自己计划动作。“每秒七百次，车载计算机读取所有传感器，进行大量计算，以确定所有关节的位置、质量中心、所有物理特性，”迪尔沃思说。“然后一个控制算法决定它是否应该摆动一条腿，或者它应该如何移动。”迪尔沃思希望最终能在博物馆里让特鲁迪跑来跑去，让游客能够更真实地感受恐龙可能是什么样子。—— F.S.
观看特鲁迪（Troody）行走的照片和视频，请访问 www.ai.mit.edu/projects/leglab。
有关马丁·布勒（Martin Buehler）的小型四足机器人 SCOUT II 的图片，以及他和密歇根大学（University of Michigan）和加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）合作创作的蟑螂机器人 RHex 的图片，请访问麦吉尔大学步态机器人实验室网站：www.cim.mcgill.ca/~arlweb。
