親，大家都看到了，在2025年的春晚舞臺上，一群穿花襖、甩手絹的機器人可是火了一把！它們不僅扭起了東北大秧歌，還玩起了轉(zhuǎn)手絹的絕技，那手法、那速度，簡直比“二人轉(zhuǎn)”演員還要溜！今天，咱們就來聊聊這場表演背后的那些有趣的生物力學(xué)問題，讓你在輕松愉快的氛圍中，也能感受到科學(xué)的魅力！

一、春晚機器人轉(zhuǎn)手絹的驚艷亮相

2025年的春晚，杭州宇樹科技公司的人形機器人Unitree H1在張藝謀導(dǎo)演的節(jié)目《秧Bot》中驚艷亮相。這群機器人身穿花襖，扭起秧歌來有模有樣，但最吸引人的，還是它們那轉(zhuǎn)手絹的絕技（圖1）。

圖1 中央電視臺2025年“春晚”節(jié)目《秧Bot》。有人問，機器人為何不穿褲子，光屁股出演呢？小編認(rèn)為，一方面，機器人不需要保暖或遮羞，因此不用穿褲子；另一方面，“裸演”也能讓大家一目了然地看到真的是機器人在表演，褲襠下面沒有藏著一個活人。

只見機器人單手轉(zhuǎn)動手絹，甩出優(yōu)美拋物線后精準(zhǔn)接回，動作流暢自然，仿佛真的是一群技藝高超的專業(yè)“二人轉(zhuǎn)”演員呢。

這場表演背后，可是凝聚了機器人領(lǐng)域多項尖端技術(shù)的突破性進展。而咱們今天要聊的生物力學(xué)，就是其中不可或缺的一部分。

二、生物力學(xué)是什么？

在正式開聊之前，咱們得先搞清楚什么是生物力學(xué)。簡單來說，生物力學(xué)是運用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進行定量研究的一門前沿交叉學(xué)科。它可是個跨學(xué)科的大佬，涉及生物學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)等多個領(lǐng)域。

咱們平時看到的動物奔跑、跳躍、飛翔，還有咱們?nèi)祟愖约鹤呗?、跑步、舉重等等，這些動作背后都藏著生物力學(xué)的奧秘；即使你“想靜靜”，什么都不干，也離不開生物力學(xué)；更別說行走坐臥、生老病死，更是離不開生物力學(xué)。而機器人轉(zhuǎn)手絹的表演，雖然看起來是個簡單的動作，但其實也涉及了生物力學(xué)的很多知識點。

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三、機器人的“手腕”有多靈活？

咱們先來看看機器人的“手腕”。要想轉(zhuǎn)手絹轉(zhuǎn)得溜，手腕得靈活啊！Unitree H1機器人就配備了19個仿生關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都采用中空軸線設(shè)計，內(nèi)置雙編碼器系統(tǒng)。雙編碼器系統(tǒng)是干嘛用的？簡單來說，就是能提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。通過兩個編碼器的同時測量，可以獲取更準(zhǔn)確的電機位置和速度信息，減少誤差。而且，雙編碼器配置還能增加系統(tǒng)的冗余度，提高抗干擾能力，這樣就算其中一個編碼器出故障，另一個也能確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。這手腕的靈活度，可不是蓋的！

就拿腕關(guān)節(jié)來說吧，它的峰值扭矩達到了360 N·m！這是什么概念呢？簡單來說，就相當(dāng)于單手提起36公斤重物！而且，它還能在0.1秒內(nèi)完成從全功率輸出到毫米級精準(zhǔn)定位的切換。這種精密控制，可是得益于“動態(tài)平衡算法”的突破。

動態(tài)平衡算法是一種通過不斷調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的資源分配和任務(wù)調(diào)度，以實現(xiàn)系統(tǒng)在不同負(fù)載和變化環(huán)境下穩(wěn)定運行和高效性能的計算方法。舉個例子，一位雜技演員正在高空中的鋼絲上行走。這條鋼絲又細(xì)又長，而且風(fēng)還在不時地吹動，給演員帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了保持平衡，演員需要不斷地調(diào)整自己的姿勢和步伐。在這個場景中，演員的身體就相當(dāng)于一個系統(tǒng)，而鋼絲、風(fēng)力和演員自身的重力等因素就是影響系統(tǒng)平衡的外部環(huán)境。為了保持平衡，演員需要運用一種“動態(tài)平衡算法”，即通過不斷地調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的資源分配和任務(wù)調(diào)度來實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效性能。

咱們平時轉(zhuǎn)手絹，可能覺得就是個簡單的動作，但其實背后涉及了很多復(fù)雜的力學(xué)原理。比如，肢體和關(guān)節(jié)的運動軌跡和活動度需要協(xié)調(diào)；局部運動和整個肢體的作用力和反作用力及運動要保持平衡；手絹在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力以及胳膊甩動的力量會讓手絹飛出去，等。而機器人要想穩(wěn)穩(wěn)地抓住手絹，就得通過調(diào)整關(guān)節(jié)的扭矩和角度，來抵消這個離心力。這就像是咱們騎自行車轉(zhuǎn)彎時，得通過調(diào)整身體的傾斜角度和蹬車的力度，來保持平衡一樣。

四、機器人是怎么“感覺”到手絹的？

咱們?nèi)祟愞D(zhuǎn)手絹時，靠的是眼睛和手的感覺來感知手絹的位置和運動狀態(tài)。那機器人呢？它們可沒有眼睛和手的感覺，那它們是怎么“感覺”到手絹的呢？

這就得靠機器人的感知系統(tǒng)了。Unitree H1機器人搭載了3D事件相機和九軸IMU傳感器。這個3D事件相機可厲害了，它就是機器人的“眼睛”，以每秒2000幀的速度捕捉手絹運動，配合深度學(xué)習(xí)模型，能在15毫秒內(nèi)完成特征點識別。而九軸IMU傳感器呢，就像是機器人的“神經(jīng)”，則能實時監(jiān)測手絹離手瞬間的角速度和線加速度。

有了這些感知系統(tǒng)，機器人就能實時地“看到”和“感覺”到手絹的位置和運動狀態(tài)了。這就像咱們開車時用眼睛看路、用手握方向盤一樣，機器人也通過這些感知系統(tǒng)來“看路”和“握方向盤”。

五、機器人是怎么預(yù)測手絹的飛行軌跡的？

咱們平時扔個東西出去，都能大概猜到它會飛到哪里。那機器人呢？它們是怎么預(yù)測手絹的飛行軌跡的？

這就得靠機器人的空氣動力學(xué)建模了?；谟嬎懔黧w力學(xué)（CFD）和流固耦合（FSI）的手絹運動模型（圖2），能預(yù)判不同拋射角度下的飛行軌跡，提前規(guī)劃接取路徑。

圖2 轉(zhuǎn)手絹的CFD+FSI仿真分析

這就像咱們打籃球時投三分球一樣，得提前判斷好球的飛行軌跡和落點，才能投得準(zhǔn)。機器人也是通過這種空氣動力學(xué)建模的方法，來預(yù)測手絹的飛行軌跡和落點，從而精準(zhǔn)地接住手絹。

六、機器人是怎么在短時間內(nèi)做出決策的？

咱們平時扔個東西出去再接回來，可能得靠點反應(yīng)速度和直覺估算（圖3）。

圖3 手絹飛去來兮

那機器人呢？它們是怎么在短時間內(nèi)做出決策的？

這就得靠機器人的實時決策系統(tǒng)了。Unitree H1機器人運用了分布式邊緣計算架構(gòu)，每個關(guān)節(jié)控制器都具備本地決策能力。就好比是一個具有“去中心化機制”的區(qū)塊鏈技術(shù)。有興趣的看官，請關(guān)注我的個人微信公眾號“醫(yī)用生物力學(xué)”的文章：細(xì)胞的“去中心化”機制。

當(dāng)手絹偏離預(yù)期軌跡時，腕部控制器能在3毫秒內(nèi)自主調(diào)整接取策略。這種“反射神經(jīng)”式的響應(yīng)速度，比人類眨眼快10倍！

這就像咱們打網(wǎng)球時接發(fā)球一樣，得在極短的時間內(nèi)判斷好球的方向和速度，然后神經(jīng)系統(tǒng)和肌骨系統(tǒng)迅速做出反應(yīng)。機器人也是通過這種實時決策系統(tǒng)，來在極短的時間內(nèi)調(diào)整接取策略，從而精準(zhǔn)地接住手絹。

七、生物力學(xué)在機器人領(lǐng)域的其他應(yīng)用

其實啊，生物力學(xué)在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用可不止轉(zhuǎn)手絹這么簡單。它可是個跨學(xué)科的大佬，涉及生物學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)等多個領(lǐng)域，在機器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1. 機器人的行走與奔跑

咱們平時看到的機器人，大多數(shù)都是慢悠悠地走路或者跑步。但其實啊，通過借鑒生物力學(xué)的肌骨系統(tǒng)運動原理，科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)出了能夠像人類一樣快速奔跑的機器人了！

比如，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們就研發(fā)出了一種名為“獵豹”的機器人。它采用了四足行走的方式，能夠像獵豹一樣快速地奔跑。這種機器人的設(shè)計靈感就來源于獵豹的生物力學(xué)特性，比如它的骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉分布和運動方式等。

通過借鑒生物力學(xué)的原理，科學(xué)家們還研發(fā)出了能夠像人類一樣行走的機器人。這些機器人不僅能夠像人類一樣保持平衡、邁步和轉(zhuǎn)彎，還能根據(jù)不同的地形和路況來調(diào)整行走策略。

2. 機器人的精細(xì)操作

除了行走與奔跑外啊，生物力學(xué)在機器人的精細(xì)操作方面也有著廣泛的應(yīng)用。

比如啊，在醫(yī)療領(lǐng)域里啊，科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)出了能夠像外科醫(yī)生一樣進行精細(xì)手術(shù)的機器人了！這些機器人不僅能夠準(zhǔn)確地找到病灶位置啊，還能根據(jù)手術(shù)的需要來調(diào)整操作力度和角度啊！

這種精細(xì)操作的能力啊，可離不開生物力學(xué)的支持??！科學(xué)家們通過研究人類的手部運動啊，發(fā)現(xiàn)我們的手指在運動時能夠保持非常高的精度和穩(wěn)定性??！于是啊，他們就將這一原理應(yīng)用到了機器人的手部設(shè)計中，讓機器人也能夠像人類一樣進行精細(xì)操作。還有啊，機器人在觸碰到人體不同位置的不同組織時可以感知到不同的作用力和反作用力，從而調(diào)整機器人的動作，既能做到“手到病除”，又不會對正常組織造成傷害。

3. 機器人的跳躍與飛行

再來說說機器人的跳躍與飛行。在自然界中，許多動物都擁有出色的跳躍和飛行能力，比如青蛙、袋鼠、鳥類等。這些生物的運動方式背后，都蘊含著復(fù)雜的生物力學(xué)原理。

科學(xué)家們通過研究這些生物的運動機制，將其中的生物力學(xué)原理應(yīng)用到機器人設(shè)計中，研發(fā)出了能夠跳躍和飛行的機器人。比如，有些機器人能夠像青蛙一樣進行高效跳躍，有些則能夠像鳥類一樣在空中飛翔。

這些機器人的研發(fā)，不僅讓我們看到了生物力學(xué)在機器人領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，也為我們探索未知世界提供了更多的可能性。想象一下，未來我們或許能夠派遣這些具有跳躍和飛行能力的機器人，去執(zhí)行一些人類難以完成的任務(wù)，比如探索險峻的山地、深入茂密的森林，或者前往遙遠(yuǎn)的星球進行勘探。

4. 機器人的仿生設(shè)計

最后，不得不提的是機器人的仿生設(shè)計。仿生設(shè)計是生物力學(xué)在機器人領(lǐng)域應(yīng)用的又一重要方向。它通過觀察和研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，將這些原理應(yīng)用到機器人設(shè)計中，使機器人具備類似生物體的特性和能力。

比如，前面提到的Unitree H1機器人，它的設(shè)計就借鑒了人類的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和運動方式，使得機器人能夠像人類一樣靈活地轉(zhuǎn)動手腕、扭動身體。再比如，有些機器人模仿了蛇的運動方式，能夠像蛇一樣蜿蜒前行，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。

這些仿生設(shè)計的機器人，不僅讓我們看到了生物力學(xué)在機器人領(lǐng)域的無限潛力，也為我們提供了更多的設(shè)計靈感和思路。未來，隨著生物力學(xué)和機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，我們相信會有更多具有創(chuàng)新性和實用性的仿生機器人問世，為我們的生活帶來更多便利和驚喜。

八、生物力學(xué)與機器人的未來展望

展望未來，生物力學(xué)與機器人的結(jié)合將會更加緊密。隨著生物力學(xué)研究的不斷深入和機器人技術(shù)的不斷進步，我們相信會有更多具有生物特性的機器人問世。

這些機器人將會更加智能、更加靈活、更加適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。它們將能夠像人類一樣進行各種復(fù)雜運動和操作，甚至在某些方面超越人類的能力。比如，它們可能會擁有更強的力量、更快的速度、更高的精度和更好的穩(wěn)定性。

同時，生物力學(xué)在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用也將會更加廣泛。除了前面提到的行走、奔跑、精細(xì)操作、跳躍飛行和仿生設(shè)計外，生物力學(xué)還可以應(yīng)用到機器人的感知、決策、學(xué)習(xí)等方面。比如，通過研究生物的感知機制，我們可以讓機器人更加敏銳地感知周圍環(huán)境；通過研究生物的決策過程，我們可以讓機器人更加智能地做出決策；通過研究生物的學(xué)習(xí)機制，我們可以讓機器人更加自主地學(xué)習(xí)和進化。

在居家養(yǎng)老中，機器人陪護方面展現(xiàn)出了廣闊的前景。隨著全球及中國人口老齡化的加劇，老年人口不斷增多，對養(yǎng)老服務(wù)的需求也在持續(xù)增加。許多老年人傾向于在熟悉的環(huán)境中度過晚年，選擇居家養(yǎng)老。這導(dǎo)致了對居家養(yǎng)老服務(wù)的巨大需求，其中機器人陪護成為解決這一需求的重要途徑。隨著人工智能、傳感器技術(shù)、語音識別和圖像處理等技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人陪護的功能日益強大、智能和精準(zhǔn)，能夠更好地滿足老年人的多樣化需求?，F(xiàn)代養(yǎng)老機器人不僅能夠協(xié)助老年人完成日常生活中的簡單任務(wù)，如取物、開關(guān)門、調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等，還能提供情感陪伴、健康監(jiān)測等個性化服務(wù)。隨著技術(shù)的不斷進步、政策的支持以及市場的逐步成熟，養(yǎng)老機器人有望成為老年人生活中不可或缺的好幫手。同志們！早點下手養(yǎng)個機器人準(zhǔn)備養(yǎng)老吧！

好啦，今天的科普文章就到這里啦！希望通過這篇文章，大家能夠?qū)ι锪W(xué)在機器人轉(zhuǎn)手絹表演中的應(yīng)用有更深入的了解，也能夠?qū)ι锪W(xué)和機器人技術(shù)的未來發(fā)展充滿期待。如果大家還有什么疑問或者想要了解更多關(guān)于生物力學(xué)和機器人的知識，歡迎隨時留言交流哦！