机器人跑马拉松，到底要不要穿跑鞋

最近刷到世界人形机器人运动会的现场画面，不少人盯着赛场上的机器人脚看入了神，有的机器人光着脚在塑胶跑道上大步往前冲，有的却整整齐齐套上了定制运动鞋，跑起来的样子像极了刚上完体育课的中学生。不少观众当场就发出了和我们平时带学生上实验课一样的疑问：明明机器人光着脚跑久了会磨坏零件，为什么不全给它们穿上鞋子，既能够保护脚底又可以跑得更稳，难道机器人也有自己的“穿鞋自由”吗？其实这个问题的背后藏了很多我们平时在科学课上会和学生讨论的力学小知识，并非是大家想的“厂家舍不得给机器人买鞋”，而是

我们人类跑步的时候，脚踝、膝盖要承受三到五倍体重的冲击力，每一步落下都是好几袋大米的重量瞬间砸在关节上，跑完半马下来，双腿至少要承受三万次这样的冲击，普通人跑完都要缓好几天；但人形机器人的体重大多在几十公斤，在跑步过程中脚底要承受的冲击力达到自身体重的十到十二倍，也就是说每一步落下，脚底都要扛住自身十几倍的重量，一场半马跑下来，所有的零件都在反复地经受着高强度的冲击考验。如果是短距离的冲刺比赛，比如几百米的竞速，机器人跑的步数少，总冲击量不算大，很多厂家就会选择让机器人赤脚参赛，靠本身耐磨的足底材料就能轻松应对了。

之前在世界人形机器人运动会上拿下1500米冠军的宇树H1机器人，就是全程赤脚跑完了全程，最后跑出6分34秒40的好成绩，在赛后品牌方的负责人也解释说，自家机器人的足底材料本身就非常耐磨，短距离赛事里根本不用额外穿鞋，不会对最终比赛的成绩产生任何的影响；但是如果放到半程马拉松这样二十多公里的长距离赛事里，连续几万步的高强度冲击下，即便是耐磨的金属和特殊的复合材料也会很容易在反复摩擦的过程中出现磨损，轻则会影响机器人的步态稳定，重则会直接导致足底传感器失灵，连后续的比赛都没法再进行下去，这个时候给机器人穿上合适的鞋子就成了很多参赛团队的必然选择。

专门为了半程马拉松而优化的天工人形机器人，就是早早穿上了一双定制运动鞋的代表，而这双鞋子不仅能够缓冲跑步时巨大的冲击力，减少足底零件的磨损，而且还悄悄给机器人带来了不少额外的运动优势：这双定制鞋让机器人的足底高度增加到了6.64毫米，这个看起来很小的变化，却刚好优化了机器人的发力角度，让他在奔跑的过程中可以更好的保持重心稳定，并且每一脚蹬地的力量都能够更加顺利的传达到地面，不会出现力量被白白浪费的情况；并且带有纹路的鞋底还可以大大提升抓地力，不论是塑胶跑道、柏油路面还是偶遇的沙地、湿滑路面都可以减少打滑概率，在高速奔跑的时候也可以稳稳落地。

很多人都不知道，机器人穿鞋和我们人类穿鞋的逻辑其实有很大的区别：人类跑步的时候发力核心是脚踝和脚掌，靠足弓的形变来缓冲冲击力；但大部分的人形机器人的脚踝活动范围和承重能力都有限，在跑步时的核心发力点其实是髋关节，更加依靠整个下肢的协调摆动来完成稳定地奔跑动作。因此对于机器人来说，普通运动鞋根本没法直接套在机器人脚上，必须要根据机器人的足底形状、传感器的位置以及发力习惯进行专门定制，不仅要保证鞋子不会挡住足底压力传感器，让机器人能够准确感知到地面的受力变化，还要保证鞋子的重量足够轻，不能给机器人的关节带来额外的负担，否则反倒会让本来的步态控制算法被打乱，导致机器人跑得更不稳。

现在不少参赛团队还在鞋子上做了很多有意思的东西，有的团队在鞋底加入了柔性缓冲材料，能把落地时的冲击力快速分散掉，减少关节执行器的负载，让机器人跑完全程之后零件的损耗程度大幅降低，后续维护的成本也能跟着降下来；还有些团队在鞋底加入了特殊的防滑纹路，专门针对户外马拉松可能遇到各种复杂的路面做了优化，哪怕是小石子、积水甚至是轻微的结冰路面，机器人也能够稳稳地跑过去，不会轻易出现打滑摔倒的情况，这些看起来不起眼的机器人专用鞋，其实藏了材料学、运动力学、控制算法等等好几个领域的技术积累，完全不是我们想当然认为的“给机器人套个鞋套”。

其实我们平时在中学科学课上给学生讲力学、压强、摩擦力这些知识点的时候完全可以利用机器人穿鞋这么一个热门的话题来切入，把那些抽象的公式变成了大家看得见摸得着的真实案例，学生一下子就明白了为什么要增大接触面积才能减小压强，为什么会粗糙的接触面才会有更大的摩擦力，这些知识不是课本上冷冰冰的文字，是真真切切能用到前沿机器人赛事里的实用技术。把这个文章转发给身边同事和学生，让大家看到前沿科技里藏着基础科学原理的同时也让更多的孩子知道，平时课堂上学的每一个小知识点将来都有可能变成改变世界的大创新！