【WRC大咖论道】韩国首尔大学教授Kyujin Cho：《以自然为灵感的创新机器人设计》

2024世界机器人大会以“共育新质生产力 共享智能新未来”为主题，为期三天的主论坛和26场专题论坛上，416位国内外顶尖科学家、国际组织代表、院士和企业家聚焦前沿技术、产业动向和创新成果，深入研讨人工智能与机器人技术深度融合带来的新趋势、新机遇，共同打造了一场十分精彩的机器人领域前沿观点盛宴！

在8月22日下午的主论坛上，韩国首尔大学教授Kyujin Cho以《以自然为灵感的创新机器人设计》为主题发表演讲。

数说2024世界机器人大会

论坛

26 家国际支持机构

3 大主题 26 场专题论坛

416 名国内外顶尖科学家、国际组织代表、院士和企业家

74 位国外嘉宾及港澳台嘉宾参会

线上线下听众达 160万 人次

展览

27 款人形机器人集中亮相

首发新品 60 余款

近 170 家参展企业 600 余件参展产品

参观人数近 25万 人次

大赛

全球 10 余个国家和地区的 7000 余支赛队

 13000 余名参赛选手

每天参赛人数 4000 余人

媒体关注

近 400 家国内外媒体

短视频平台话题播放量达 2.9亿

Kyujin Cho（韩国首尔大学教授）

以下是演讲内容实录 

谢谢主办方的邀请，今天我给大家分享的是一个新的领域-仿生机器人，跟刚刚这些商业化的应用稍有不同，我们是希望从自然的角度获得灵感。

我们都知道现在市场上的机器人是在一个非常结构化的环境中使用，但是自然是一个高度非结构化的环境，手术机器人、服务机器人、移动机器人、人形机器人其实都不是跟实际自然中一样的环境中使用。

这些人形机器人或者是其它是希望未来可以像人一样在一个环境中自主移动，但是我们希望机器人还能够进入一些人类进不去的非结构环境，比方说深空或者深海开展一些研究。我们之所以希望来做一些仿生机器人，是希望从自然当中寻求解决方案来克服非结构化的极端的环境，寻找自然界的智慧。

我们认为我们的关键点不要仅仅复制大自然，这是加州伯克利分校一名教授说的话不要试图复制大自然，仅仅希望一比一的copy自然，你将会失败的很悲惨，因为大自然实在是太复杂了，超出了我们的能力范围，如果你希望百分之百的复制比方说一支蟑螂是没有办法达到一个类似于“蟑螂形”的机器人。

与其复制自然，我们想要做的是提取关键原理并且采用当前最佳的工程解决方案来解决问题，这是我们的基本原则，这是一个重要的考量，在做仿真机器人研究的时候一定要考虑到自然的关键原理，其次就是控制关键身体部位，内嵌的控制，我们希望机器人能够感知和智能，通过提升感知和智能我们就可以获得非常聪明的机器人。

当然我们可以这么做，但是考虑一下自然，我们说到蟑螂，蟑螂的智慧水平是很低的，但是即便智慧水平很低，可以做到很多让人惊叹的事情，我是基于原则来设计，这些仿生机器人需要有嵌入式的控制到具体的身体部位，比方说腿和足，这是我们做仿生机器人设计的时候需要注意的。整个设计的过程先要从需要解决的工程问题开始来观察自然界当中的运动，做出一些假设，包括抽象的原则和设置的标准，然后进行设计研发和验证，然后再从头开始。

有的时候不是序列完成的，可能是随机的，有时候可能会做大量的迭代，通过迭代希望从自然当中学习打造一个仿生机器人，与此同时，机器人的研发也可以帮助人类更好的理解自然，这个也是仿生机器人设计的一个重要的原则，我们也是希望借此提供真实世界的真实解决方案。这就是我们想要做的。

差不多2008年的时候我当时在首尔大学开始在担任教授，我和我的同事看了这样一个有趣的视频激发了我们的进展，这个其实是一种昆虫叫做水米，从水面上起跳，这个是很让人惊讶的，大家可以看到现在即便机器人可以在水面上行走、奔跑，但是要从水面上起跳要在短时内对书面实施极大的力，水面的表面张力是有限的，你要是实施过高的力整个张力会破坏，机器人会沉下去，所以水米这种昆虫怎样能够很好控制腿上的施力，达到从水面上精准的起跳又不破坏其表面张力呢。

我们在这里是需要控制腿上的力，不打破水面表面张力，为了研究这方面的工作，我们要回到生物学当中，我们发现67年出版的一本论文《关于跳蚤跳跃的能量学研究和机制模型》非常有趣的一篇论文，如果我们想跳起来的话，我们的腿部肌肉要屈伸，但是其实我们跳蚤的腿上有另外一个肌肉叫做弹性蛋白，不是让腿部屈伸，而是会拉动腿部的肌肉直接起跳，通过这样的方式就可以通过类似于跳蚤腿上弹性蛋白这样一个机制，帮助我们更好的起跳。

我们受跳蚤启发做了这样一个机器人，能够起跳60厘米高，但是其实机器人本身只有2厘米高，这样一个机器人是非常简化的，最终我们通过这样一步步优化做出一个机器人的水米，大家在右下角可以看到有一只真实的水米昆虫，旁边是一个机器人的水米，它的机制是很类似的，体积、大小也是类似的，这个水米机器人是可以实现从水面起跳的，我们可以通过这样一个机器人的设计来解释水米从水面起跳的一个基本原理。

最开始的时候人们是需要设计这样一些人形机器人，想要研究机器人怎样通过两足进行步行，我们有大量的论文，后面也出版了论文来看水米机器人在水面上行走和起跳大家可能会问设计这样的机器人有什么用途？之所以设计类似于水米的机器人，我们是要了解水米在水面行走起跳这样一个了不起的自然机制，了解了这种自然机制之外，我们可以跟其他的跳跃机制结合到一起。把这些都放到了一个跳跃机器人身上，其实就可以像跳蚤一样跳的非常高。

我们有这样一个技术就可以把它跟一个Panta机器人结合起来，既能爬又能跳，我们说到这些昆虫跳跃很重要的原因就是希望获得很大的一个取水速度甚至起飞，跳跃是为了跳过障碍的，所以未来我们的机器人也可以应用类似的机制在不同的表面进行行走和跳跃，这方面有很多的有趣的应用，比如说多模态除了爬行和跳跃，我们还希望具有其他的功能，后面做了一个机器人，这是实际应用的一个视频。

这是一个手机壳，手机壳能够爬行，为什么想要手机壳进行爬行，你睡觉的时候把手机放在旁边，手机会自己爬到充电的地方进行充电，这个研究背后真正的作用是做了一个非常平的机器人可以负载重量差不多22克，通过这样一个机制可以看到可以实现这样一个功能，可以爬行过障，而且可以承担很大的重量。

其实并不是一个实际当中有很广泛用途的应用，我们只是展现了这样一个可能性，仿生机器人可以在这样一个领域进行研发并且做到了不起的成就。

除此之外，我们也会考虑到这样一些真实的应用，有这种可以变形的轮子或者是履带，如何让这个轮子可以自行改变其外形，比方说在遇到障碍的时候轮带变形可以帮助它越障，现在的问题就是这个其实太复杂了，会有很多的执行器、传感器，我们发现的一个灵感是日语的折纸，通过一张纸各种各样折叠可以折出各种各样的形态，这些折纸的艺术其实潜力是无限的，我们希望打造一个类似的机器人可以变形，我们的灵感就是折纸，我们就开始做了这样一种轮子，是用纸做的轮子。

这是一些非常基础的很早期的研究，有一些教授找到我说你在研究什么，你在做玩具吗？我们必须相信这样一些基本的折纸的原则在未来可以做很大的拓展，可以在实际中有大量的应用甚至未来可以用在真实车辆的身上，通过这样的设计做了大量的迭代，最终做出了这样一一款真实的车辆的轮胎，就是我们所谓的折纸轮胎，它是可以承担一吨的负重，把它放在真实的车辆上进行的测试，其实就是从折纸这个小的事情上开始的灵感，可以降低高度来从一个障碍物支架通过，也可以改变轮胎的形态爬楼梯，必要的时候也可以很大程度上改变形态。

它的负重功能非常好，可以改变轮胎的抓地面积，我们最终这个轮胎可以真正用在车辆上，同时也可以获得来自轮胎公司的支持，之前他们是用一些纤维制作的，如果用这种材料做的话就会发现张力非常好，所以轮胎可以在进行变形的时候，它的振动非常小，我们用在商业上已经有一个轮胎公司应用了。

现在开始做不同的变形机器人，我们也对大自然中的一些模型和形态非常感兴趣，可以看到非结构化和极端情况下抓握方式的解决方案，快速捕捉猎物的变色龙，它的舌头的运动都是非常特殊的机制，我们做出了这种双重变异性抓手可以看到它的动作。

它叫box，一般来说我们不需要把它装在箱子里，如果想的话机器人可以在我们的家庭里和我们紧密的互动，可以在不需要的时候压缩到很小的体积放在盒子里，用的时候再充气拿起来，我们为了这个目的就看自然界中的形状变形的机制，比如说可以一碰它就鼓起来了，这是一种河豚扩展形状的单一变形的模式，另一种是双重的变形。

这是TIhume，它实际上可以将自己的提醒做出巨大的变化，通过这个机理我们认为可以对机器人有巨大的潜力，所以我们可以模仿，不是通过展开框架，而是用拉伸表皮两种变形同时发生，通过展开和拉伸的双重变形实现极端的形状变形，如果我们可以同时做拉伸和折叠机器人，它会是一种很有趣的解决方法，这是相关的视频。

刚开始高度折叠，之后可以形成很大的体积，这是由微双变形结构的两种设计方式，由双并行设计形成的不对称延长，可以形成柔软的机器人进行折叠纸一样共同展开到伸展运动，可以运动部署加上可拉伸的皮肤，用微型的吸盘用在物流上，可以用在抓这种东西，如果想要的话也可以吸和抓，将这种有平面的物体吸起来，我们一开始是从Tihume开始设计，现在这一原理也用在了抓取机器人上，可以用在真实世界的物流等新技术上。

受它的启发，我们可以设计双重变形抓手的多种形制去验证它的多功能性我们在亚马逊的目标对象2015年采摘挑战比赛中获得了很好的成绩，并且可以进行重新的设计，既可以抓大的物体，也可以抓很小的很难抓的物体，也可以吸取平面和小的硬币，将它放在碗里，对之前的机器人手臂来说这是非常难以实现的。

总结来说，我们尝试找到一种自然中的运动，比如说抓握，从工程的问题角度出发进行观察，然后进行假设，包括抽象的原则和设计标准、适应性智能的体现，简单的操控进行进一步的扩展，结构设计与指导包括柔性和非传统的技术，最后能够获得可以验证的实验结论。

（本文根据录音整理）