在生物界，竹节虫是一种奇葩的存在，最大的爱好是趴在那里cosplay一根树枝。此外，它们还有一个隐藏技能。

它们兼具大长腿和小短腿，前面的两条腿可以一边走路，一边当作触角来探路。按理说这走起路来肯定四仰八叉，让人不忍直视。然而实际上它的动作却十分丝滑，竟然毫无违和感。这就是让科学家们着迷它的地方。要知道他们自己造出的机器人，就算是几条腿同样长，走起路来都不免脚下拌蒜，时不时栽跟头。

第一个会行走的竹节虫仿生机器人

曾经，比勒费尔德大学（Bielefeld University）的一个研究小组成功的教会机器人怎么行走。里程碑式的第一步已经记录在一个视频中。这个机器人叫Hector，它的结构创意来自一只竹节虫。受昆虫的启发，Hector具有被动弹性关节和超轻的外骨骼。它最独特的地方在于它配置了大量的传感器，并根据仿生分散无功控制实现它的行走功能：Walknet。到2017年，卓越认知交互技术中心（CITEC）的一个重要项目中的行走机器人将拥有多种能力。

这个行走机器人是由生物机电工程研究小组设计制造的。未来，Hector会担任一个平台的角色，供生物学家和机器人专家测试关于动物运动的各种假设。一个关键问题是大量来自传感器的数据的融合，使得机器人可以比以前走得更自如。另一个关键问题是机器人通过弹性驱动器达到最佳的运动协调。

“Hector驱动器的弹性作用方式可以媲美生物系统中肌肉的作用方式，”Axel Schneider博士教授说。他目前在领导生物机电工程研究小组，并与生物系生物控制论部门的Volker Dürr博士教授一起协调CITEC项目。Schneider和他的团队开发了弹性关节驱动器，Hector有18个这样的关节。通过驱动器的仿生弹性，Hector可以灵活地适应它所行走的地形。

施耐德说：“但是，仅仅有弹性是不足以让Hector能在有障碍的自然环境中穿行的。我们面临的挑战是开发一个控制系统，该系统将协调机器人腿在艰难环境中的运动。”Schneider的同事Jan Paskarbeit负责开发和制造这个机器人。为了测试实验控制方法而又不损坏机器人，他还编程设定了Hector的虚拟版本。“为了让机器人能无困难行走，所有的子系统之间必须保持顺畅的通信，” Paskarbeit说。“否则，Hector有可能同时抬起多条腿，这将变得不稳定，还有可能会翻转。此外，当腿碰上障碍物时必须及时应对。通过落实攀爬物体的反射行为，我们已经解决了这个问题。”CITEC研究人员解释道。

在CITEC卓越中心，8个研究小组一起工作了3年以完成Hector的优化工作。这些科学家来自计算机科学、生物学、物理学以及工程学等领域。目前，研究人员正在将一个大范围传感器装在Hector的前部，把它当成是Hector的头。他们现在做出来的雏形有两个侧向摄像头和两个触角。无论是视觉系统还是触觉系统都是受到这些昆虫的启发，他们的工作场所和分辨率都跟这些动物模型相似。“现在还有一个重大的挑战找到一个有效的途径把大范围传感器、姿态传感器以及关节控制传感器集成在一起。如果能做到这一点，Hector将是一个理想的研究平台，”Volker Dürr说。

“竹节虫行走”是如何实现的？

近期，南丹麦大学科研人员先是抓了11只雌性竹节虫，让它们依次来在玻璃上走秀，并且在侧面立起一面镜子，跟玻璃呈45°，这样从侧面拍摄的行走过程的时候就可以同时“俯视”竹节虫了。相对于后腿（HL）和前腿（FL），中间腿（ML）的站立时间最长（0.55±0.04秒），而前腿的站立时间最短（0.50±0.03秒）。三只腿的平均站立时间之间存在显著差异。

他们发现竹节虫主要呈现出三足步态模式，同时抬起三只腿。有时又转变为四足步态，即只有两只腿同时移动。它们虽然几条腿长得参差不齐，但优点是每条腿都有独特的功能。比如前腿可以除了走路还可以用来做触角，感受地面凹凸不平（真正的触角很短，眼神也不好使，没办法）。在行走时前腿会试探性地伸出去，而且抬得比较高。在不同的路面上行走，它们的步态是不一样的。如果是走在天花板上，为了避免自己掉下来，竹节虫就要保证行走时有足够多条腿与天花板接触，它会从三足步态（三条腿接触）转变为四足步态（四条腿接触）或五足步态（五条腿接触）。

为了进一步分析，研究团队制作了一台机器竹节虫。与竹节虫真身相比，机器人的结构更简单，它的身体分成三段，每段之间都是固定的。每条腿也分成三段，有三个关节，每个关节都是正交的。而且为了防止模拟出现误差，它比真实的竹节虫大了五倍。

不过说到底，科学家们最关心的还是竹节虫是怎么驾驭这几条腿的。竹节虫并没有大脑，所以它的所有动作都是不经大脑的。这种不带脑子的行为有个清新脱俗的名字，叫去中心化适应性神经控制。每条腿都有自己专属的控制系统，所以6条腿就需要6个控制系统，而且为了让几条腿之间可以灵活的合作，他们没有给这些控制系统之间设置任何的连接或者协调机制，一切都随缘吧。这是要气死强迫症了，就是心大。

控制系统由四个子神经模块组成：1）基于神经中央模式发生器（central pattern generator，CPG）的控制，包括神经调节和脚接触反馈，用于生成和适应基本周期模式；2）一个预运动神经网络，用于塑造CPG周期性模式以获得类似于竹节虫的腿部运动（肢体内部协调）；3）一个神经前向模型，用于预测脚接触反馈；4）一个双速率学习机制，用于不断适应脚接触反馈强度（称为在线感官反馈适应）。

所以最后，这几条长不长、短不短的腿之间是怎么配合的？一句话，全靠机器人和环境之间的互动，它的腿上装着传感器，可以感知环境。

是骡子是马，拉出来溜溜

从结果来看，虽然有些卡顿，但还行，不至于惨不忍睹——这是一种自组织的移动方式，走起路来时不时来个三足鼎立。

通过种方式，机器竹节虫学会了根据不同的路况来使用各种不同的步态，对环境的适应能力更强了，甚至可以在崎岖不平的路面上行走。相比之下，要是通过提前建模的方式让多足机器人在不同的路面上行走，不但建模的过程更加复杂，而且在实际应用时效果难以预料。所以自组织的移动方式明显更好。

此前也有其它的多足机器人是通过这个方式行走的，但它们的腿都是等长的，而且各条腿之间的协调方式也是预先定义好的，每条腿以相同的方式运动，步调一致。相比之下，机器竹节虫每条腿都有独特的运动方式。例如，前腿有一个长而不对称的摆动轨迹（缓慢上升和快速下降）和一个短暂的站立过程，中腿有一个较小的，且不对称的摆动-站立循环，类似于前腿，而后腿也有一个小的循环，但与中腿和前腿的轨迹相反（缓慢下降和快速上升）。

不过目前的机器人显然还有很多改进的空间。比如说虽然通过改变CPG频率可以产生各种三脚着地的行走步态，但却未能实现五脚(波浪式)步态。此外，该机器人还无法存储涌现的步态。这是因为控制单元之间缺乏神经交流，而神经交流是波浪步态控制和步态记忆的重要组成部分。因此，未来作者们将把竹节虫数据的x-y平面足迹轨迹纳入控制系统，并进一步研究整合腿部姿势控制以及局部腿部伸展的内部腿部控制。

此外，他们还打算通过添加自适应神经耦合机制(即神经交流)来进一步增强控制系统，以在神经结构中存储涌现的步态模式并实现其他稳定步态。相关研究最近被发表在《Advanced Theory and Simulations》期刊上。

或可轻松越过障碍探索外星球

据国外媒体报道，科学家制造出的这个可以走上楼梯并穿过多石地面的竹节虫机器人，或可轻松越过障碍探索外星球。

研究人员先研究了竹节虫腿部运动规律，然后研发出这个机器人。为了复制大自然的设计，这些机器人专家给它配上 6 条机器腿，使其可以顺利通过粗糙地面。这些机器腿共有 18 个弹性很强的关节。每条腿都塞满传感器，这有助于竹节虫机器人得到关于地面的反馈信息，使其可以翻越前方物体。

这些腿独立控制，确保这个机器人的稳定性。与此同时，每个关节都含有一个用来模拟竹节虫行为的驱动器。比勒菲尔德大学研究人员认为，他们制造的竹节虫机器人可能有助于开发新类型的自动搜索和营救车辆。它还可令机器人在困难地形上运载货物，或帮助太空科学家探索其他星球。

这个竹节虫机器人，它的驱动器的弹性比得上生物系统中肌肉的弹性。但光弹性还不足以让自主认知六脚操控机器人有能力穿越一个有障碍物的自然环境。我们遇到的挑战是开发一个在困难环境中协调自主认知六脚操控机器人腿部运动的控制系统。目前，这个自主认知六脚操控机器人已经可以运载比它身体重最多3 倍的货物。它的外骨骼用碳纤维和塑料制作而成，只有 26 磅(约合 12 公斤)重，却可负载6 磅(约合30 公斤)物体。它的运动通过“生物启发算法”进行控制。科学家根据竹节虫运动规律开发出这个算法。

文章来源： 机器人大讲堂，机器人网，道客巴巴