通常，要理解昆虫或机器人的运动部件如何顺畅协调，从而让它们抵达目的地，需要对力学、电子学和信息科学进行繁琐的建模。而在一项新研究中，生物力学研究人员将蟑螂的快速奔跑提炼为简明实用的原理和方程，并据此使一台测试机器人的步态更加稳健。
该方法让研究人员了解每条腿如何独立运作、所有腿如何整体协同，以及它们在运动中是否和谐。尽管昆虫与机器人的运动动力学截然不同，这一新方法对两者均行之有效，并且也有望适用于其他机器人和动物。
作为生物机器人的蟑螂是远为优秀的奔跑者，其神经信号引导着六条进化得近乎完美的腿。机械机器人是一款消费级产品，只有四条短粗的腿，没有神经系统，其步态控制依赖于通过底盘传递的粗略物理力，这些力充当粗糙信号，大致协调其笨拙的步态。
“这台机器人体型笨重，几乎无法感知周围环境。蟑螂拥有多种感官，能更好地适应崎岖地形。即使遇到与其臀部齐高的障碍物，它也丝毫不会减速。”第一作者Izaak Neveln这样说道。在该研究期间，他是佐治亚理工学院物理学院与生物科学学院助理教授Simon Sponberg实验室的博士后研究员。
一种通用方法
这种方法，即研究中所称的“度量”，超越了这些巨大差异，而这些差异在受动物启发的机器人技术中普遍存在。
“该度量具有普适性（通用性），无论信号是神经脉冲模式、运动学量、电压还是力，都可以使用，并且不依赖于信号之间的特定关系。”研究作者写道。
无论昆虫还是机器人如何运作，该度量的数学输入和输出始终采用相同单位。该度量不一定能消除建模的需要，但它有望缩短并指导建模过程，并避免令人痛苦的失误。
为什么竹节虫的运动如此怪异
机器人或动物通常会通过中枢系统发送大量行走信号，以协调运动，但并非所有信号都是集中的。即便是人类，尽管运动在很大程度上依赖于中枢神经系统发出的信号，仍有一些神经信号局限于身体的特定区域，它们是局部信号。
一些昆虫的运动似乎几乎没有集中控制，例如竹节虫（又称步行虫），其腿部几乎各自独立地移动。竹节虫的奔跑姿态颇为笨拙。
“一种观点认为，竹节虫的运动控制更多是局部的，而蟑螂跑得非常快，需要保持稳定，其运动控制可能更为集中，更像钟表般有节律。”Neveln说道。
信号的强集中通常能更好地协调运动。集中式信号可能是经由精密机器人线路传输的代码，可能是蟑螂中枢神经元使其腿部同步的指令，也可能是笨拙机器人的底盘因一条腿踏击地面、将重量转移到另一条对侧腿上而发生的倾斜。
机器人学家需要透过这些差异，弄清运动体局部信号与中枢信号之间的相互作用。
节拍器与蟑螂
新的“度量”正是通过关注行走腿中一种总体现象来实现这一点，这种现象可被视为前后摆动的摆锤。要实现出色的运动，它们需要同步，即所谓的相位耦合振荡。
一个有趣而简单的实验可以说明这一物理原理。如果将几个（比如六个）节拍器——即钢琴教师使用的、发出节奏声响的摆锤——以不同步的状态摆动，并将它们全部放在一个可随节拍器摆动而自由晃动的平台上，这些摆动便会趋于同步、步调一致。
这些摆动的相位，即摆动方向，通过平台集中其合成的机械冲量，从而相互耦合。这一特定的相位耦合示例属于机械性质，但它也可以是计算性或神经性的，就像蟑螂体内的情形一样。
它的腿相当于摆动的节拍器，而中枢神经肌肉活动则相当于可自由晃动的平台。在蟑螂中，六条腿并非都朝同一方向摆动。
“它们的同步并不一致。三条腿彼此同相同步——一侧的前腿与后腿，与另一侧的中腿——而这三条腿与另外三条腿则异相同步。”Neveln说道，“这是一种交替三足步态。一组三足与另一组三足交替运动。”
改善机器人运动
与摆锤一样，每条腿的摆动都可以绘制成波形。所有腿的波形可以取平均，形成一个整体的蟑螂疾走波，并进一步发展为更有用的数学模型，用以描述集中与分散控制之间的关系，以及可能扰乱运动控制的熵等因素。
由此得出的原理和数学模型使笨拙的机器人受益。该机器人的腿部电机中具有较强的分散式信号，这些信号会对腿与地面的接触作出反应，而其集中控制则弱于竹节虫。研究人员也绘制了该机器人的运动图，但其结果并未形成蟑螂所产生的那种整齐同步的波群。
研究人员运用这些原理和数学模型对笨拙的机器人进行了改进。该机器人最初状态混乱，像弹簧跳杆一样无用地颠簸或跳跃。随后，科学家通过重新分配底盘的配重来加强集中控制，使其运动更加协调。
“平台上的节拍器属于机械耦合，我们的机器人正是以这种方式协调控制的，”Neveln说道，“通过调整配重位置，可以改变机器人的机械耦合。借助我们从蟑螂身上提炼出的度量，我们能够预测这些改变会带来怎样的影响。”
研究人员还连接了蟑螂的特定肌肉和神经元，以观察它们与疾走波之间的错位同步。研究共采用了十七只蟑螂的2,982步步幅来提炼这些原理和数学模型，而这些昆虫也给研究人员带来了一些意外。
其中一个尤为突出：科学家原以为蟑螂加速时，中枢信号会更为集中，但实际上中枢信号与局部信号均有所增强，或许是在进一步强化奔跑的指令。
该研究发表于期刊Nature Communications。美国国家科学基金会资助了该研究。所有研究发现、结论和建议均属于作者本人的观点，不一定代表美国国家科学基金会（NSF）的立场。
