能飛檐走壁的機(jī)器人面世！近日，來(lái)自美國(guó)非營(yíng)利研究機(jī)構(gòu) RAI、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)以及美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員造出一款名為 UMV（Ultra Mobility Vehicle）的自行車機(jī)器人，它可以像專業(yè)車手一樣原地定車、單輪跳躍、甚至能在空中翻跟頭，最高能夠跳上一米高的平臺(tái)，比它自己站立時(shí)還高出 30%。

這臺(tái)重 23.5 公斤的機(jī)器人只有一個(gè)自行車的基本骨架，外加一個(gè)會(huì)動(dòng)的腦袋。當(dāng)它在平地上奔跑時(shí)，最高速度能夠達(dá)到每秒 8 米，比人類百米沖刺還快。遇到臺(tái)階或者障礙物的時(shí)候，它不需要繞路，直接原地起跳就能翻過(guò)去。更厲害的是，它只用后輪就能站立，能像雜技演員一樣原地轉(zhuǎn)圈，也能連續(xù)跳躍著前進(jìn)。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

相關(guān)論文的第一作者是 Ben Bokser，他目前是 RAI 的機(jī)器人工程師，此前畢業(yè)于美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)。

圖 | Ben Bokser（來(lái)源：https://www.linkedin.com/in/ben-boks）

當(dāng)然，這項(xiàng)成果不只是 Ben 一個(gè)人的功勞，全部作者達(dá)到幾十位之多。

圖 | 相關(guān)論文的全部作者（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.2）

研究人員給它設(shè)定的目標(biāo)非常明確：既要像自行車一樣高效省力，又要像腿足機(jī)器人一樣靈活便捷。傳統(tǒng)的腿足機(jī)器人雖然有十幾條甚至更多的活動(dòng)關(guān)節(jié)，能夠跨過(guò)各種障礙，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、耗電驚人。而普通自行車雖然簡(jiǎn)單輕便，但是遇到臺(tái)階只能繞道。UMV 則試圖使用最簡(jiǎn)答的結(jié)構(gòu)，同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題。

UMV 只有五個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)負(fù)責(zé)基本的騎行和轉(zhuǎn)向，另外三個(gè)藏在那個(gè)沉重的腦袋里，通過(guò)一套空間連桿結(jié)構(gòu)連接到車身上。當(dāng)需要跳躍的時(shí)候，頭部的電機(jī)會(huì)把整個(gè)身體像壓彈簧一樣壓縮，然后瞬間釋放，把自己彈到空中。研究人員在設(shè)計(jì)這個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，使用計(jì)算機(jī)模型反復(fù)優(yōu)化，最終讓 23.5 公斤重的 UMV 跳出了超出自己身高 30% 的高度。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

光有硬件肯定是不行的，要想讓 UMV 在真實(shí)世界里穩(wěn)定完成這些高難度動(dòng)作，必須有一套足夠聰明的控制系統(tǒng)。研究人員沒(méi)有使用手寫代碼的方式逐條告訴機(jī)器人每一步該怎樣做，改為使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方式。他們先在虛擬世界里搭建了一個(gè)和 UMV 一模一樣的數(shù)字模型，然后讓其一遍一遍地練習(xí)。

就像小孩子學(xué)騎自行車一樣，摔倒了爬起來(lái)，慢慢摸索出來(lái)平衡的感覺(jué)。這個(gè)過(guò)程在超級(jí)計(jì)算機(jī)上并行運(yùn)行，相當(dāng)于同時(shí)有成千上萬(wàn)個(gè)機(jī)器人在虛擬世界里練習(xí)，只用了十幾個(gè)小時(shí)就積累了相當(dāng)于人類練習(xí)幾百年的經(jīng)驗(yàn)。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

最終學(xué)會(huì)的技能可以直接遷移到真實(shí)的 UMV 身上，不需要任何額外的調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)了零樣本遷移。研究人員發(fā)現(xiàn)，這個(gè)學(xué)習(xí)出來(lái)的策略甚至自己發(fā)明了一些人類車手經(jīng)常使用的技巧，比如在使用后輪跳躍時(shí)它會(huì)在接觸地面的瞬間先把輪子向后滾一下然后再向前發(fā)力，以便更好地保持平衡。

在做前空翻的時(shí)候，它會(huì)在空中收緊身體以便減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，讓轉(zhuǎn)速瞬間提升到每秒 17 弧度，接近每秒一圈半，然后在落地之前展開(kāi)身體緩沖沖擊。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

在連續(xù)的跳躍實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓 UMV 反復(fù)跳上一米高的桌子然后再跳下來(lái)，累連續(xù)執(zhí)行 15 次。每次起跳的軌跡幾乎完全重合，說(shuō)明這個(gè)學(xué)習(xí)出來(lái)的控制策略極其穩(wěn)定。

即使在落地沖擊的瞬間，控制系統(tǒng)也能快速恢復(fù)平衡，繼續(xù)執(zhí)行下一輪任務(wù)。據(jù)了解，這在機(jī)器人領(lǐng)域是一個(gè)相當(dāng)難得的成就，因?yàn)闆_擊往往會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)估計(jì)出錯(cuò)或者控制失效，但是 UMV 的學(xué)習(xí)算法把這些都考慮了進(jìn)去。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

當(dāng)然，完成這些動(dòng)作對(duì)于硬件的要求非常高。在起跳的瞬間，電機(jī)的輸出功率會(huì)飆升到 4.5 千瓦，相當(dāng)于同時(shí)打開(kāi) 45 個(gè) 100 瓦的燈泡。電池電壓會(huì)瞬間下降 20 伏，電機(jī)控制器要承受巨大的電流沖擊。

研究人員甚至專門修改了電池保護(hù)板的固件，允許它在短時(shí)間內(nèi)超出設(shè)計(jì)功率放電，目的就是為了滿足這些極限動(dòng)作的需求。他們還為每個(gè)剛性部件都安裝了加速度傳感器，累計(jì)使用了三個(gè)三軸 IMU，并實(shí)時(shí)測(cè)量了每個(gè)部件的線性加速度、角速度和角加速度，以便在高速運(yùn)動(dòng)中準(zhǔn)確判斷前后輪的觸地狀態(tài)。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

UMV 的設(shè)計(jì)思路里還蘊(yùn)含著這樣一個(gè)哲學(xué)思想：那就是與其給機(jī)器人裝上復(fù)雜的腿和腳，不如在簡(jiǎn)單的自行車構(gòu)型上加一個(gè)會(huì)動(dòng)的配重塊。這個(gè)配重塊就是那個(gè)沉重的腦袋，它可以在三維空間里自由移動(dòng)，改變整個(gè)機(jī)器人的中心位置。跳躍的時(shí)候，腦袋會(huì)向上猛甩；平衡的時(shí)候，腦袋會(huì)左右搖擺；翻跟頭的時(shí)候，腦袋會(huì)進(jìn)行收緊。也就是說(shuō)，所有運(yùn)動(dòng)都依靠這個(gè)腦袋的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

研究人員使用了一個(gè)名為可控性的量化指標(biāo)來(lái)優(yōu)化腦袋的運(yùn)動(dòng)軸方向，最終確定那個(gè)關(guān)鍵關(guān)節(jié)的固定角度得讓旋轉(zhuǎn)軸大致指向后輪的軸心，以便能夠?qū)崿F(xiàn)最高的控制效率。這也說(shuō)明機(jī)器人設(shè)計(jì)有時(shí)也遵循少就是多的原則，把簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)發(fā)揮到極致也能創(chuàng)造出驚艷的功能。

（來(lái)源：https://arxiv.org/abs/2602.22118）

目前，UMV 還需要實(shí)驗(yàn)室里的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來(lái)幫助它感知自己的位置和姿勢(shì)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)范圍實(shí)在是太大，沖擊非常的猛烈，因此使用普通的視覺(jué)里程計(jì)很難穩(wěn)定工作。不過(guò)，它已經(jīng)能夠支持完全自主的狀態(tài)估計(jì)，眼下已經(jīng)在一些初步的戶外測(cè)試中驗(yàn)證過(guò)。未來(lái)的版本預(yù)計(jì)將會(huì)完全走出實(shí)驗(yàn)室，在真實(shí)的山地、叢林和城市街道里進(jìn)行極限測(cè)試，最終有望用于快遞、巡檢、救援和探險(xiǎn)等場(chǎng)景。

參考資料：

相關(guān)論文：

https://arxiv.org/pdf/2602.22118

https://www.linkedin.com/in/ben-bokser/

https://www.benbokser.com/spryped.html

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍