DIY 双足机器人 Shadow Walker：气动“空气肌肉”的复古实验

背景

1987年，英国摄影师 Richard Greenhill 对机器人技术产生了浓厚兴趣，尽管他并没有接受过相关的专业训练。当时他在一家名为 Intergalactic Robots 的初创公司工作，但未能说服同事共同开发一台能够执行实际任务（如搬运行李）的等比例人形机器人。于是，他决定在自家阁楼里独自开展这项工程。

为了推进项目，Greenhill 组织了一个每周一次的聚会，聚集了十多位志同道合的爱好者。每周三晚上，他的妻子 Sally 会煮一大锅意大利面，大家则利用从旧打印机和废品站淘来的零部件进行 tinkering（ tinkering 指对设备进行非正式的修改或实验）。这个团体自称“Shadow Group”（影子小组）。虽然他们后来制造了多种不同的机器人，但核心项目是双足机器人“Shadow Walker”。

与此同时，学术界和工业界也在机器人领域深耕多年。1961年，世界上第一台工业机器人 Unimate 问世；1967年，Donald Michie 等人开始建造 Freddy 系列机器人以研究机器智能。1984年，IEEE 成立了专门的机器人组织，并于1987年升级为 IEEE 机器人与自动化学会。同年，国际机器人联合会（IFR）成立，旨在促进该领域的研发与合作。

在 Shadow Group 开发 Shadow Walker 的同时，工业界的人形机器人也在取得进展。1986年，本田（Honda）开始研发实验性（E系列）及原型机（P系列）人形机器人，并于1996年发布了 P2。P2 身高183厘米，重210公斤，是首款能够实现稳定自主行走的人形机器人，这一工作最终促成了具有里程碑意义的 ASIMO 机器人的诞生。

核心内容

Shadow Walker 的设计与构造 Greenhill 的朋友 David Buckley 是一位机器人与动画技术专家，他在 Intergalactic 结识了 Greenhill。Buckley 参考医学教科书中的人体骨骼结构和肌肉运动原理，绘制了粗略的设计图。

• 骨骼简化：机器人的骨架由枫木制成，结构被极大简化。小腿仅保留一根骨头，每只脚只有一个宽大的脚趾。
• 关节设计：脚踝采用双轴设计，提供两个自由度的运动；膝盖没有复杂的髌骨。
• 动力系统：Greenhill 拒绝使用电机，而是采用压缩空气来控制28个“空气肌肉”（Air-Muscles）的伸展和收缩。这是一种基于1950年代发明的 McKibben 肌肉原理的气动仿生技术。
• 自由度：这些肌肉连接在跨越8个关节（髋、膝、踝、脚趾）的骨骼上，提供了12个自由度。
• 规格：机器人无头躯干内装有控制阀、电子设备和计算机接口。身高168厘米，宽46厘米，重约38公斤。

控制与软件挑战 团队成功让机器人可靠地站立并保持平衡，甚至在受到轻微推挤时能恢复重心。然而，行走极具挑战性。

• Rich Walker 的贡献：青少年 Rich Walker 加入团队后，开始编写让机器人站立的软件。他对使用神经网络解决平衡问题特别感兴趣。
• 硬件障碍：由于传感器和控制阀的不可靠性以及机器人整体的脆弱性，Walker 遇到了诸多硬件障碍。
• 软件成果：随着时间推移，Walker 和团队开发了一套标准的例程库来控制机器人。1999年，Walker 撰写了关于 Shadow Walker 的详细描述，现可在 David Buckley 的网站上查阅。

1990年首届国际机器人奥运会 20世纪80年代末，公众对机器人的看法两极分化：企业视其为提高生产力的工具，工人担心失业，儿童视其为玩具，残疾人视其为解放工具，军事专家希望其替代士兵，政客和哲学家则思考其对社会结构和智能定义的影响。

格拉斯哥图灵研究所联合创始人 Peter Mowforth 注意到了这些截然不同的愿景，并宣布将于1990年9月27日至28日举办首届国际机器人奥运会，由图灵研究所和斯特拉斯克莱德大学主办。Mowforth 认为当时对机器人的愿景大多被夸大，因为当时的机器人经常无法按预期工作、容易故障且对微小问题反应迟钝。他希望通过奥运会测试最新一代机器人的实际能力边界。

• 参赛情况：比赛没有预设类别，而是根据申请者的声称能力进行分组。共有来自加拿大、法国、印度、日本、墨西哥、苏联、美国、英国和南斯拉夫等国的50多台机器人参赛，涵盖大学、工业界和爱好者团体。
• 奖项设置：除了单项冠军，评委还会根据硬件质量、行为复杂度和新颖性选出总体奥运冠军。此外还设有青年奖、商业潜力奖和设计奖。
• 比赛结果：
  • 失望时刻：类似高尔夫球车的轮式机器人 Trolleyman 在携带奥运火炬时断电；许多在平滑地面训练的机器人因赛场地毯而摔倒。David Buckley 后来认为比赛项目过于困难，未能推动技术发展。
  • 意外赢家：来自英国约克自动机博物馆的19世纪全机械日本 Archer 机器人，在标枪项目中击败年轻对手获得金牌。
  • 总体冠军：日本筑波大学 Shoji Suzuki 的 Yamabico 机器人获得总体奥运冠军（在障碍规避中获得铜牌，在沿墙跟随中获得金牌，但因不会英语在说话项目中被取消资格）。
  • Shadow Walker 的表现：尽管团队寄予厚望，但 Shadow Walker 未能迈出一步，双足行走比赛由卡迪夫大学的双足机器人获胜。

后续影响 目前，Shadow Walker 收藏于伦敦科学博物馆。1997年，一位寻找机械腿的付费客户促使 Shadow Group 正式注册成为公司，即现在的 Shadow Robot，这是英国最古老的机器人公司之一。Rich Walker 在剑桥大学获得数学学士和计算机科学文凭后，于1999年作为技术总监加入 Shadow Robot。

关键要点

• 非传统驱动方式：Shadow Walker 摒弃了当时主流的电机驱动，转而使用基于 McKibben 原理的气动“空气肌肉”，通过压缩空气控制28个肌肉单元，实现了12个自由度。
• 极简主义解剖结构：受医学教科书启发，设计者大幅简化了人体骨骼结构（如单骨小腿、单趾脚），以适配气动控制和机械稳定性。
• DIY 与学术界的对比：Shadow Walker 代表了业余爱好者（DIY）在资源有限情况下的创新尝试，而同期本田等工业巨头则投入巨资研发如 P2 和 ASIMO 这样的高成本、高精度机器人。
• 早期机器人技术的局限性：1990年机器人奥运会暴露了当时机器人技术的普遍弱点，包括传感器不可靠、对环境变化（如地毯）适应性差以及整体脆弱性，证明了“愿景”与“现实”之间的巨大差距。
• 从爱好到商业的转化：Shadow Group 从阁楼里的业余聚会演变为英国最古老的机器人公司 Shadow Robot，其早期在精密手部机器人（如 Shadow Hand）领域的积累，部分得益于早期对气动控制和精细运动控制的探索。
• Rich Walker 的学术路径：核心软件开发者 Rich Walker 后来进入剑桥大学深造，体现了早期机器人爱好者向专业学术和工业领域转化的典型路径。

意义与影响

技术多样性的见证 Shadow Walker 展示了机器人驱动技术的另一种可能性。在电机和液压主导的工业界之外，气动仿生技术为轻量化、柔顺性控制提供了不同的思路。虽然气动系统存在响应速度慢、控制复杂等缺点，但其在模拟生物肌肉收缩方面的独特优势，至今仍在软体机器人和康复辅助领域具有研究价值。

早期人机交互与社会认知的缩影 1990年的机器人奥运会不仅是一次技术竞赛，更是社会对机器人态度的一次集中投射。Peter Mowforth 试图通过比赛打破公众对机器人的过度幻想，揭示技术现状。这一事件反映了80年代末至90年代初，社会在期待机器人带来解放的同时，也对其可靠性和社会影响感到焦虑。

开源精神与知识共享的先驱 Shadow Group 在阁楼中共享