为什么最好的机器人脚底反而天生扁平足 作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole RobotSole | www.robotsole.com 为什么最好的机器人脚底反而天生扁平足 作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole | www.robotsole.c… —— RobotSole 机器人足底技术为什么最好的机器人脚底反而天生扁平足作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSoleRobotSole | www.robotsole.com为什么最好的机器人脚底反而天生扁平足作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole | www.robotsole.com2016年我在密歇根大学的人形机器人实验室看到一幕让我愣住的画面——ATRIAS机器人在跑步机上跑了整整两个小时膝关节电机温度只有38℃。而半年前同样这台机器人换上一双仿人足弓的碳纤维足底后跑不到二十分钟电机就过热保护了。我当时就问自己一个问题我们做了三十年鞋底一直在追求足弓的弹性储能怎么到了机器人这里足弓反而成了催命符这个问题困扰了我整整两年。直到我们把第三十七版平足底原型装上Cassie机器人跑出了3倍关节寿命的数据我才真正想明白——机器人不该照抄人脚的足弓。今天我就把这件事掰开揉碎讲清楚。人脚足弓的真相储能靠的是活体自愈很多人觉得足弓是个弹簧踩下去弹回来多好的能量回收结构啊。没错人脚足弓确实能回收大约17%的步态能量。但这里面有个被忽略的前提——你的足弓是活的。人脚足弓里有跖腱膜、足底韧带、足底短肌这些软组织每次落地都在经历微损伤。你走一万步这些组织就撕裂一万次。但你是活人睡一晚上细胞修复、胶原蛋白重建第二天又是全新的。这就是为什么人脚可以年复一年地用足弓储能而不会报废。但机器人没有这套自愈系统。你给它设计一个弹性足弓每次落地储能再释放听起来很美。但能量守恒告诉我们储能和释能之间不可能百分之百高效中间的损耗去哪了全部变成了关节轴承的冲击载荷和电机的扭矩波动。我们在2017年做过一组对照实验。给同一台双足机器人分别装上平足底和带2cm拱起的弹性足弓足底在跑步机上以1.2m/s速度持续行走。结果触目惊心平足底组的膝关节谐波减速器在连续运行120小时后齿面磨损量为0.03mm。足弓组的同一个减速器只跑了38小时磨损量就达到0.11mm。为什么差这么多因为足弓在储能-释能的循环中产生了一个高频震荡这个震荡直接耦合进了膝关节。电机不仅要承受行走的主驱动力矩还要被动抵抗足弓弹回时产生的额外扰动。谐波减速器的柔轮在这种交变载荷下疲劳寿命断崖式下降。换句话说足弓帮足底省了15%的能量但把关节电机的寿命打到了三分之一。这笔账怎么算都不划算。平足底的工程逻辑牺牲一点效率换来三倍寿命想明白这件事之后我们开始认真研究平足底。Cassie的设计者Oregon State University的Jonathan Hurst教授其实早就想通了这一点。Cassie的脚就是一块平坦的弧形板没有足弓没有复杂的弹性结构。Hurst在论文里写过一句话我深以为然——机器人不需要模仿生物的外形它需要理解生物背后的物理原理然后用工程手段重新实现。“平足底的核心优势在于可预测性。没有足弓的弹性回弹足底与地面的交互就变成一个相对刚性的接触过程。关节控制器可以精确预测地面反力的时序和幅值前馈补偿做起来简单得多。电机的扭矩需求曲线平滑没有突变峰值谐波减速器的寿命自然就上去了。我们实测下来平足底虽然能量回收效率比弹性足弓低了大约12-18%但关节寿命提升了2.8-3.2倍。对于一台造价几十万的机器人来说少换一次谐波减速器省下的维修成本远远超过那15%的能耗。但平足底不等于一块铁板”。我们花了大量心思在分区功能化上。三分天下前掌蹬地、足跟缓冲、中间传感人类跑鞋的鞋底设计早就给出了答案。你去看一双Asics或Brooks的顶级跑鞋鞋底从来不是一个均匀的整体。前掌发力区用的是高摩擦橡胶加上颗粒纹理后跟缓冲区用的是高回弹EVA或TPU发泡材料中足稳定区则嵌入了一块硬度较高的支撑片。这个三段式设计思路我们直接搬到了机器人足底上但做了深度重构。前掌推进区——这里不需要缓冲需要的是摩擦力和推进力。我们用邵氏硬度75A的高耐磨TPU表面做仿生纹理——参照越野跑鞋的箭头形凸纹每条纹路深2mm、间距4mm方向朝前。这样机器人在蹬地阶段纹路像钉鞋一样嵌入地面提供推进方向的剪切力。我们在30度斜坡测试中前掌推进区的防滑系数比平板设计提高了47%。足跟缓冲区——这里是落地的第一接触点冲击力峰值可以达到机器人自重的1.5-2倍。我们在这里嵌入了弹性蜂窝结构参照铝蜂窝芯材的设计思路用TPU 3D打印六边形蜂窝壁厚0.8mm、单元尺寸4mm。蜂窝在受压时通过壁面屈曲吸收能量比实心橡胶的缓冲效率高出60%而且重量只有三分之一。中间过渡区——这是最巧妙的部分。人类脚底的中足区域有丰富的本体感受器负责感知足底压力的分布变化。我们在机器人的中间过渡区嵌入了柔性压力传感薄膜0.3mm厚128个传感单元覆盖整个中足区域。这块区域不承受最大冲击前掌和足跟才是所以传感器不会被踩坏却能持续采集步态中的压力迁移数据。这个三分区设计的关键在于——每个区域只干一件事不兼任。前掌只管推进不装传感器足跟只管缓冲不管传感中间只管感知不承受峰值载荷。分工明确各司其职。为什么不能一体化因为材料性能的本质矛盾经常有人问我为什么不直接用一种材料做出一个既能缓冲又能推进又能传感的足底我的回答是——因为材料性能之间是互斥的。缓冲需要软推进需要硬。传感需要精密的薄膜结构而推进区的高摩擦纹理会破坏薄膜。你想要一种材料同时做到这三件事就像想要一种轮胎既能在冰面上抓地、又能在赛道上飙到300km/h、还能跑十万公里不磨损——米其林和固特异花了几百亿研发费都没做到。汽车轮胎行业早就接受了这个现实所以有了胎面分区设计。外侧胎肩用硬质橡胶过弯中间排水沟用软质胶料抓地内侧胎肩做降噪花纹。我们做机器人足底同样要学会接受没有万能材料这个事实转向多材料、多结构的分区设计。我经常跟团队说一句话——鞋底设计的本质不是寻找完美材料而是在矛盾中寻找最优解。给仿生足弓留一扇窗特定场景仍有价值说到这里你可能会问那足弓结构是不是在机器人上就完全没用了也不是。在特定场景下仿生足弓仍有其价值。比如纯被动行走机器人——没有电机驱动完全靠重力和惯性摆动的机器人。这种情况下足弓的弹性储能确实能显著延长步幅和降低能耗因为没有电机来承受额外的震荡冲击。又比如一些低速服务机器人行走速度低于0.3m/s关节载荷很小足弓带来的微弱震荡对寿命的影响可以忽略不计但那15%的能量回收对于延长续航还是有意义的。关键在于——你设计的机器人是给谁用的在什么场景下用。我们在RobotSole的开发中形成了一套决策矩阵如果机器人峰值行走速度大于0.8m/s或者关节寿命要求超过2000小时果断用平足底如果机器人是被动行走或低速场景仿生足弓可以考虑。这不是非黑即白的选择而是工程权衡。从鞋底老匠人的视角看机器人足底做了三十年鞋底我最大的感悟是——人类鞋底行业走了太多弯路才想明白的事机器人行业不应该再走一遍。上世纪八十年代运动鞋行业疯狂追求足弓支撑各种拱形中底、碳板、TPU支撑架层出不穷。结果九十年代末VibramFiveFingers和极简跑鞋运动兴起人们突然发现——让脚自然落地比过度支撑更健康。机器人行业现在经历的不就是同一个循环吗先模仿人脚的足弓结构然后发现不对再回归平足底的简单可靠。历史不会重复但会押韵。我现在给团队定了一条铁律——任何仿生设计先问三个问题第一生物结构背后的物理原理是什么第二这个原理在机器人上是否能等效实现第三如果不能等效实现强行模仿外形会带来什么副作用足弓就是最好的例子。它的物理原理是弹性储能生物靠活体组织自愈来消化副作用机器人没有自愈能力所以模仿外形等于搬起石头砸自己的关节。想明白这件事你就会理解——为什么最好的机器人脚底反而天生扁平足。不是因为它不想有足弓而是因为它付不起足弓的代价。—**关于作者 · 陈卫东Michael Chen**RobotSole 创始人联系邮箱michaelrobotsole.com。毕业于北京外国语大学英语流利具备国际化商务能力。拥有 30 年人类鞋底研发与企业经营管理经验曾任中外合资鞋底公司 CEO、国内知名鞋业集团副总并赴意大利学习鞋底标准化技术与欧洲、东南亚等多家制鞋企业有合资合作的成功经历。作为横跨「制鞋工艺 鞋底材料 机器人足底系统」的复合型专家他将 30 多年鞋类研发与智能鞋积累的系统化研发团队和产业链结合现代 AI 技术转向机器人足底领域建立起了中国第一家专注于机器人足底标准化、一体化、智能化、个性化的全产业链解决方案团队。在机器人足底方向的研究成果1. 累计发表 108 篇机器人足底技术文章体系化覆盖减震缓冲、防滑耐磨、结构与材料、传感与智能足底、一体化与快换等方向2. 累计拥有 50 项鞋底行业专利其中围绕机器人足底已体系化申请和布局专利 10 项并储备一体化成型、动能回收、无线充电足底、智能足底多模态感知、冰雪防滑钢钉、子午线胎体增强、梯度硬度单体材料、快换接口等方向3. 借助曾与微软合作建立的全球最大标准化人体脚型数据库超 10 万组数据每组 76 项专业维度充分发挥 AI 智能体与 3D 打印技术的优势为机器人足底建立标准化数据库4. 与中国多家第一梯队的人形 / 四足机器人企业开展足底开发与定制合作推进全产业链的足底优化方案。— 了解更多机器人足底技术方案与标准化服务访问 RobotSole 官网机器人足底 · RobotSole 官网