轮子已经为人类服务了数千年。但罗伯特·富尔说，它们被高估了。大自然中有多少生物像轮子一样滚动前进？富尔数了一个，最多算一个：一种名叫口足目动物的虾状生物，它偶尔会蜷缩成一个圆环，在巴拿马的海滩上滚来滚去。对于我们这些被陆地限制的动物——似乎除了那些坚持向火星发送轮式探测器的 NASA 专家——来说，要么靠腿，要么就完蛋。
“每个人都认为轮子是最有效的运动形式，”富尔惊呼道。“错了！”
富尔是加州大学伯克利分校的生物力学教授。他对该领域的兴趣可以追溯到他的童年，那时他在佛罗里达的海滩上度假时，喜欢看幽灵蟹匆匆爬过。“我想上研究生，研究奇怪动物的运动，”他后来告诉他的父母。
他就是这么做的。作为 Poly-PEDAL 实验室的主任，这是一个由研究人员（许多是本科生）组成的跨学科团队，富尔致力于通过对动物运动的研究来形成普遍的原理。（Poly-pedal 的意思是“多足”，PEDAL 是 Performance, Energetics, and Dynamics of Animal Locomotion（动物运动的表现、能量学和动力学）的缩写。）他的团队的活动包括计算壁虎脚趾上的毛发数量，以及制造无脑的多足机器人。但他们的研究在几年前进入了快车道，当时他们开始使用高速数码相机拍摄蟑螂、蜈蚣和其他生物在小型跑步机上奔跑的画面。富尔发现，一只蟑螂全速前进时，会抬起后腿，像人一样奔跑。（“我仍然觉得它们很恶心，”他说。）
Poly-PEDAL 团队随后建造了一个配备高速视频的昆虫跑道，可以精确测量昆虫每一步的力、位置和时间。该平台由夹在两个偏振滤光片之间的光弹性材料和一个穿过这三层材料的光组成。当一只蟑螂走过舞台时，它的腿会使材料变形到一个微小但可量化的程度。（起初，团队使用橙色果冻作为介质，但昆虫对吃掉它们的跑道比在上面行走更感兴趣。）
延时研究表明，蟑螂的腿——或者任何类型的腿——只不过是一根弹簧杆，就像一个弹簧跳杆。如果你绘制出它在任何一步中施加的力，结果看起来像一个正弦波：它在蹬离时达到最大值，在脚悬空时降至零，然后在着陆时变为负值并重复。一步只是一个弹跳。行走或跑步只是从一个弹簧跳杆跳到另一个弹簧跳杆，并伴有一些左右移动以保持稳定。狗一次用两条腿弹跳；蟑螂（以及令人惊讶的蜈蚣）用三条腿弹跳；螃蟹用四条腿弹跳。
这个规则是普遍的，并且易于进行数学建模。富尔的机器人视频启发了动画电影《虫虫危机》中的昆虫动作。但他工作的意义在他决定制造一个步行机器人时变得最为清晰。他说，大多数有腿的机器人设计得就像它们有轮子一样。它们的运动异常平稳，上下运动很少，并且始终保持至少三条腿着地以保持稳定。但这并不是真正腿部的工作方式。动物是“动态稳定的”——从一个时刻到下一个时刻都不平衡，但在一个完整的运动周期内完全稳定。稳定性是多足动物一直在陷入的状态。
这还不是最关键的。尽管腿有各种形状和大小，但它们都具有同等的弹性。富尔发现，动物王国中的每条腿的相对刚度都完全相同，所有生物在陆地上行走或跑步时产生的机械能量都相同——移动 2.2 磅体重 3.3 英尺消耗一焦耳能量。“这对所有生物都一样，”富尔说。“狗。蟑螂。你。太疯狂了！”
简而言之，富尔对蟑螂的研究揭示了一个自然的“甜蜜点”：一种理想的、易于计算的弹簧特性，适用于各种肢体。从这个认识出发，只需要一个小的概念飞跃，就可以设计出第一个高效的步行机器人。富尔与密歇根大学和麦吉尔大学的科学家合作，继续制造了 Rhex（机器人六足机器人），这是一种巨大的机械蟑螂，就像一个弹跳在六个弹簧跳杆上的面包盒。Rhex 没有触觉传感器，没有反馈机制，没有编程导航能力，对物理世界毫无概念——只有六条弹跳的腿。然而，它却能出色地工作，在崎岖的地形上行走，从不跌倒。最令人难以置信的是，当受到侧向推击时，它会迅速恢复平衡。富尔意识到，自我稳定不需要神经连接；它是弹跳的一个免费的副产品。“它内建在机械结构中，”他说。
富尔建议，昆虫之所以稳定，可能是出于同样的原因。在他的笔记本电脑上，有一段蟑螂在一个不平坦的积木场上奔跑的视频。“它们是如何在这样的地形上奔跑的？”他沉思着。“它们甚至没有减速！它们是在感知一切，然后通过大脑反馈吗？不可能。太快了。”
为了验证他的理论，富尔将活蟑螂送回了跑步机。这次，他的团队在蟑螂的背上安装了一个微型侧向喷气背包。在奔跑过程中，喷气背包会启动，以已知的力将蟑螂推离平衡。令富尔惊讶的是，蟑螂在不到 10 毫秒的时间内恢复了平衡——比任何神经反射都要快。大脑没有在身体的稳定性上浪费精力。蟑螂在不知不觉中保持直立。
由于大脑不需要监控稳定性，昆虫就可以自由地执行更高级的活动，例如感知其位置和规划路线。“触角只需要发出一个一般的指令，”富尔说。“它们不必与腿部通信。”考虑到这一点，富尔与斯坦福大学设计研究中心合作，制造了 Sprawl，这是一款带有传感器触角和简单纠偏算法的小型六足机器人。然后是 Ariel，一款与马萨诸塞州公司 iRobot 合作制造的蟹形机器人。Ariel 是六足的，水陆两栖的，也是第一款能够在浅而汹涌的海浪中保持稳定的机器人。如果它翻倒了，它的腿会重新定向，使身体的顶部变成底部，让 Ariel 能够倒着移动。富尔获得了海军研究局的大力资助，现在正在工程化 Ariel，使其能够执行诸如寻找水下地雷之类的任务。
富尔坚称，他的设计并非模仿自然。它们只是受到自然的启发。他说，自然选择不会产生最优系统。真实的肢体及其功能受到发育过程（它们必须随着时间生长和变化）以及它们执行多种任务的事实的制约。“自然选择不是工程，”富尔说。“它是在现有事物上进行调整。”设计 Ariel 的关键在于认识到它的关节只需要两个运动自由度，而不是活生生的螃蟹所拥有的无数种可能性。“螃蟹互相打斗、交配、压在一起，”富尔说。“我们不需要把这些都放进去。机器人还没有（在繁殖）。”
与此同时，富尔在进行外星探索的构想。多年来，他一直试图让探测器建造者们看到他们方法的错误：他说，轮子在崎岖的地形上速度慢、不稳定、机动性差。Rhex 在火星上如鱼得水。（当富尔向 NASA 展示 Rhex 爬下岩石山坡的视频时，他
将山坡染成了橙色，以模拟火星的效果。）今年一月，当火星探测器卡在着陆
世界上最高效的爬行机器人有一天可能会模仿壁虎。壁虎通过覆盖有每英尺约五十万根微小毛发的五趾脚粘在墙壁上。这些毛发非常微小，它们通过范德华力吸引表面，范德华力支配着分子大小的物体。
平台时，富尔忍不住笑了：进步的车轮滚得很慢。“我们还在试图说服他们，腿才是王道，”他说。
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