创造下一代机器人的关键可能不在于尖端算法、材料或马达，而在于大型、不会飞的鸟类的力学原理。
德国马克斯·普朗克智能系统研究所的亚历山大·巴德里-斯普罗维茨及其同事开发了一种更高效的系统，通过模仿鸸鹋腿部的一系列肌腱和肌肉，使机器人能够行走。
研究人员表示，通过使用机械离合器系统，“鸟形机器人”所需的马达更少，并且能耗仅为现有领先模型的四分之一。这种鸟类般的机械结构可以使机器人走得更快、更远，并且该技术可以扩大规模以承载数公吨的重量。
与电动汽车一样，目前机器人使用的一个限制是电池容量。为了让它们更有用，它们需要一个能够长时间不间断运行的能源系统。
“这有点像飞机，”巴德里-斯普罗维茨说。“由于腿式机器人携带自己的电源，您需要最大化载重能力并减少能源消耗。”
电池密度的改进最终将使机器人无需充电即可运行更长时间。结合太阳能电池板可以使机器人实现24/7运行——但它们需要更高效地行走，以防止电池电量消耗速度快于充电速度。目前的模型消耗大量能量——尤其是在迈步前抬腿。
自然运动
自2008年以来，巴德里-斯普罗维茨一直在向大自然寻求一种更经济的运动方式。他可能在检查一只死去的、不会飞的鸟时找到了答案。
“我看着鸸鹋尸体，意识到当我移动腿部的一个关节时，所有其他关节都会随之移动，”他说。这位工程师发现，驱动这一系列运动的不是神经控制，而是纯粹的机械原理。
现有腿式机器人使用马达来支撑其体重，产生扭矩以抬起机器人并使其保持直立。在弯曲腿部以便其向前摆动时会损失大量能量。“这听起来微不足道，但如果你每次都不弯曲腿，它就会撞到地面，”巴德里-斯普罗维茨说。在腿式机器人原型中，使用传感器检测脚何时触地，以激活马达并驱动腿部的一系列运动。这会消耗能量并由于处理冲击和激活下一步所需的时间而限制速度。
对于鸵鸟来说，这不是问题——它们的体重超过200磅，可以在稀疏的腿上以高达30英里/小时的速度穿梭于稀树草原。它们的脚充当一个开关，自动触发驱动其前进的动作——这一过程在鸟形机器人中得到了复制。
“整个系统是一个巨大的网络，作用类似于肌肉和肌腱，”巴德里-斯普罗维茨说。“它始于肌肉，到达肌腱，然后以脚结束。脚被用作一个开关，开启和关闭肌肉-肌腱网络，在摆动阶段（当脚向后摆动时）关闭弹簧。”
巴德里-斯普罗维茨的同事莫妮卡·戴利在实验珠鸡时，意识到了机械序列的用途。戴利在奔跑的珠鸡路径上伪装了坑洞，以观察它如何阻碍它们的奔跑。神经信号以每秒约100英尺的速度传播，因此当鸟儿意识到有坑时，它们应该已经摔倒了。但它们继续奔跑，这表明它们不是依靠神经信号通过脊髓从脚传递到大脑，而是依靠机械反射。
依靠反射
当像鸵鸟这样的大鸟将腿部向上拉向身体时，它们的脚会向后旋转近180度，在一个延伸到多个关节的肌肉和肌腱机械耦合网络中充当开关。
以前，机器人马达根据机器人在步幅中的位置而开关。就像脚消除了鸸鹋中神经系统介入的需要一样，在机器人中，它也消除了对复杂传感器和马达系列的需求。取而代之的是使用内置反射：当脚触地时，腿部会弹回。
鸟形机器人使用两个马达来拉动肌腱：髋部马达驱动腿部前后移动，而膝部马达则向前摆动膝关节。能量在压缩过程中储存在腿部，并在每只脚触地时释放，推动机器人前进。
鸟形机器人的另一个优点是它在静止时更高效。它的弹性弹簧系统意味着它可以无限期地站立而不消耗能量，就像不会飞的鸟可以站着睡觉一样，而不像人类那样在屈膝蹲下时会感到疲劳。鸟形机器人还可以在不同高度的平坦表面上行走，这意味着它可以爬楼梯，尽管目前需要安全带以保持平衡。巴德里-斯普罗维茨的团队正在开发允许它侧身转向和在不平坦表面上导航的系统。开发人员表示，目前的模型仅重3.7磅，但其机械结构允许其大规模扩展以用于各种目的。
“我们现在可以制造更大的腿式机器人，并消除我们以前遇到的问题，即总是限制运动的一个阶段或另一个阶段，因为你需要投入大量电力。我们的系统不再需要这样做，因此可以做得几乎任何尺寸，”巴德里-斯普罗维茨说。
