最近，一波波科技爆发让世界把目光聚焦于杭州。其中，就包括一只全球跑得最快的机器狗。
近日，浙江大学杭州国际科创中心人形机器人创新研究院联合镜识科技有限公司、杭州凯达尔焊接机器人股份有限公司研发的四足机器人“黑豹2.0”正式发布———这只“机器猛兽”，整体重量为38kg、站立高度0.63m，速度可达到10米/秒，成为世界上跑得最快的“四足机器人”。
浙江大学杭州国际科创中心 供图
这只机器狗是如何诞生的？背后有哪些改变世界的“野心”？主创团队在极限速度的背后又在追求什么？记者走进浙江大学杭州国际科创中心一探究竟。
来自大自然的灵感
见到这只机器狗幕后研发的主要负责人，科创中心人形机器人创新研究院金永斌研究员时，记者惊讶地发现，对方是一个和记者年龄相仿的年轻人。连帽卫衣加上脖子上的一副头戴式耳机 ，活脱脱一个数码少年。
不过，当讨论起“黑豹”时，他的专业性尽显无遗。
这次“黑豹2.0”能够速度突破，首先离不开那四只“仿跳鼠碳纤维小腿”，做到在重量仅提升16%的代价下刚度提升135%；还有仿照猎豹的利爪，为“黑豹2.0”定制的特殊“跑鞋”，使其抓地性能提升200%。
这些创新改进，都是在无数次试错中诞生的。
金永斌回忆，在两个月的时间中，只要“黑豹”的速度超过6米/秒，它的腿部就会断裂，可见高速运动对肢体强度的要求之高。
浙江大学杭州国际科创中心 供图
经过分析，研发团队意识到原有设计存在不合理之处，需要优化。一篇关于跳鼠的论文进入他们的视野：小型跳鼠的掌骨是分开的，而大型跳鼠的掌骨则融合成一体，以应对更大的冲击载荷。
“于是，我们在构成小腿的三根碳纤维管中间增加一根，让它们紧密相连，从而更好地传递力，提高结构强度。”金永斌说。通过材料力学知识可知，物体抗弯刚度与其直径的四次方成正比，这一细小的改变让机器狗小腿的刚度显著提升，最终解决了机器人腿部强度不足的问题。
而“黑豹2.0”的“跑鞋”，灵感同样是来自猎豹等动物可自由伸缩的角质化锐爪，以及人类跑步时使用的钉鞋，通过显著增加摩擦力，提升奔跑速度和稳定性。这也是四足机器人穿上的第一双“钉鞋”。
金永斌形容他们正在做的事情是“道法自然”：“5000年前，马的脚趾还是三个，经过漫长的演变，渐渐形成了一体的马蹄。自然界确实通过时间告诉我们存在最优解，通过机器狗的高速奔跑项目，有的方案已经被我们理解，有的还像一座宝矿等待探索。”
极限背后的世界
10米每秒，对于一只机器狗来说，听起来已经非常快了。金永斌却说，他们追求的不只是速度，而是极限之下对机器人性能边界的探索。
随着以强化学习为代表的人工智能技术的兴起，机器人的控制算法越来越接近其硬件本身的极限。可怕的是，此前四足机器人只能达到同质量生物的三分之一。这意味着，硬件目前仍然是机器人赶超生物性能的瓶颈所在。
“速度实际上是一种综合性能的体现。数值是多少，本身并不重要，重要的是借助提升速度，去理解机器人在物理性能上为什么还无法做到跟真的生物一样。”金永斌说。比如汽车的百公里加速时间，反映了电机性能、系统延时、结构强度和轻量化设计等多方面因素。他们的研究对于机器人行业的发展，就如同赛车文化之于汽车工业的发展一样，将新技术通过低成本模式向民用化转移。
从本科开始，金永斌已经从事机器人相关的课题研究。作为浙江大学2017级航空航天学院固体力学博士研究生，他的研究课题是高机动性机器人的设计与控制。“黑豹”机器人的理论基础设计，在他的博士论文中已经完成——“黑豹”系列实现的两大颠覆性突破之一，即形成了机器人正向设计的优化软件，可以服务于各类型的机器人设计工作，大规模节约机器人研发过程中的时间和成本。
博士期间，金永斌为来访实验室的浙大幼儿园小朋友讲解机器人知识。图源浙江大学交叉力学中心官网
借助这套软件系统，“黑豹 2.0”研发团队从动力学角度深入分析了现有机器人的低效能原因，甚至打破了多项传统认知。
金永斌向记者解释，比如一个机器人站立时，一般会认为它的膝关节受力最大。如果你半蹲着，也会觉得膝关节很累，髋关节倒还好。因此，通常会为机器人的膝关节设计更大的减速比。但在奔跑速度超过5米/秒时，髋关节反而是受力最大的部分，需要设计更大的减速比；膝关节的受力更多来自电机自身的惯量，需要降低减速比来降低自身引起的额外载荷。
这种反直觉的现象，唯有通过理性的计算，才能看清。
机器人的未来畅想
机器人，似乎从未离我们如此近过。
近期，宇树科技更新机器狗视频，Unitree B2-W机器狗可以完成托马斯全旋、侧空翻、360°跳跃转体、冲跳、极地跑酷等动作。该公司的人形机器人更是登上春晚，上演了一场震惊全国观众的“赛博秧歌”。
不久前结束的CES展会上，具身智能机器人继续引发关注。人形机器人、机器狗、AMR、清洁机器人、割草/农业机器人、陪伴机器人等最新技术及新品纷纷亮相。特斯拉开发的Optimus人形机器人将在2025年进行量产，未来有望创造超过10万亿美元的长期收入，甚至可能超过汽车业务，成为公司主要的收入来源。
面对全世界智能机器人的激烈竞争，金永斌和他的团队依然坚定地守在“极限赛道”。“因为我个人更倾向于让机器借助人的智力，即把人的智力在机器人这个物理平台上重新投放。”金永斌说。拥有超高自由度的机器人，完全由AI算法进行控制，可能其安全性与伦理问题还有待长时间的研究，但人机互感和人机联动，或许在五年之内就能成真。
他笑着举了一个例子，“比如您今天采访我，就可以直接连接我的机器人来提问，通过互联实现物理世界的交互，不用人到这里来了。”金永斌透露，在他们研究院内部还有一个更宏大的想法：通过这些机器人让所有蓝领都变成白领，足不出户地在工厂进行工作，甚至消除春运这样的大规模迁移——这要求机器硬件有极高的响应速度。
“趴着的”黑豹2.0。记者 李娇俨 摄
“黑豹2.0”的第二大颠覆性突破，也在于硬件，即高功率密度的电机驱动器研发获得成功。团队设计出了目前国际领先的高功率密度、高载荷能力的电机驱动器，为下一代工业四足机器人的研发奠定了坚实的基础，甚至已经应用到该研究院的部分人形机器人身上。
从力学领域转入机器人方向研究前，金永斌和大多数普通人一样，通过各种新闻报道，认为机器人的硬件技术已经非常成熟。然而，当他要将理论落地时，才发现工程层面挑战重重——也意味着这一领域大有可为。
他和师弟用了一整年，一点点地对电机驱动器进行迭代测试，总共研发了十个版本。每次他们想到一个好的技术方案，以为很快就能成功，“结果刚一上电，电机驱动器就爆炸。动不动就炸，一不小心就在我眼前炸了。”金永斌无奈地讲。
面对这些“意外”，他已经习惯了。他的导师、科创中心人形机器人创新研究院院长王宏涛的话，总在金永斌的脑海中回响：“我们一定要做难而正确的事情。”
他们知道眼前这块长方体的“机械心脏”会为人类带来巨大的价值，有着这样的信念和环境支撑，“挑战极限这件事还挺浪漫和幸福的。”金永斌说，接下来他们还会继续为“黑豹2.0”提速，并开发新的人形机器人。
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