网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Nature最新研究:机器狗跑完全马,一块电池撑到底,能耗比人类还低

0
分享至



“4小时19分52秒,一块电池。

机器狗跑完一场全程马拉松,中途没换电池、没充电。

成绩是4小时19分52秒,42.195公里,平均速度2.64米/秒。

完成这件事的是KAIST(韩国科学技术院)机器人与人工智能实验室打造的四足机器人RAIBO2,相关研究近日登上Nature。



最关键的数字不是完赛时间,而是它的总运输成本(TCOT)只有0.25——比人类的0.37更低。也就是说,按单位体重、单位距离消耗的能量算,这只机器狗跑起来比人更省。

整场比赛它一共消耗了1280Wh电量,占自身1930Wh电池容量的66%。按这个数据推算,RAIBO2满电状态下的理论续航是65公里,相当于现有四足机器人每Wh电量所跑距离的三倍以上。



01.

先把"电到底耗在哪"算清楚

四足机器人为什么费电,这是个老问题。

轮式机器人可以靠滚动前进,而腿式机器人必须持续在关节处输出力矩来支撑体重,每一步落地时脚与地面的撞击还会白白损耗动能。更麻烦的是,这些损耗之间存在互相矛盾的权衡关系。

一个典型例子:想降低电机的电气损耗,可以提高减速比或者抬高机身高度,但这两种做法都会增大足端的等效惯量,落地撞击损失反而变大;反过来也一样。

所以研究团队没有直接上手改硬件,而是先做了一件更基础的事——把整机的损耗结构完整测量并拆解出来。

在3米/秒、COT最低的工况下,整机总损耗为299.7W。其中执行器电气损耗占67.7%,机械损耗占22.7%,系统损耗占9.6%。

继续往下拆:电机铜损一项就吃掉了40.2%,是最大的单项损耗;关节摩擦损耗13.4%,驱动器开关损耗13.3%,驱动器系统损耗8.0%,驱动器导通损耗5.8%,足端碰撞损耗6.4%,滑移损耗2.9%,铁损仅0.3%。

这张损耗地图,直接决定了后面每一处改动改在哪里。



02.

硬件:1.1公斤的腿,和一块"抠电阻"的驱动板

机械部分的思路是力透明(force-transparent)加轻量化。

RAIBO2用四条相同的腿、每条腿三个相同的执行器,构成模块化结构。膝关节采用四连杆传动,执行器减速器只用单级行星齿轮,减速比7.15:1——级数越少,齿面相对滑动带来的摩擦损耗越低。

单条腿机构(不含执行器)重1.1公斤,全部腿部机构只占整机重量的10.2%。

电机选型上团队也做了一次细致的取舍。他们对比了三款高电机常数的无框电机,最终选择ILM115×25:虽然ILM115×50的电机常数更高(1.47 vs 0.87),但它的转子惯量几乎是前者的两倍,在4米/秒的高速下COT反而更差。转子惯量经减速比平方放大后,对高速损耗的影响是决定性的。

电气部分,团队盯上的是长期被系统级能耗分析忽略的一块——电机驱动板。

导通损耗上,PCB所有层都用2oz(约0.07mm)厚铜,等效电阻降低约1.8mΩ;MOSFET从7mΩ的型号换成2mΩ的型号,等效电阻直降约33mΩ;电流采样改用霍尔传感器,导通电阻仅1.5mΩ,同时避免了低阻分流电阻方案对运放高倍放大、易放大地噪声的问题。

开关损耗上,由于采用高压运行,导通损耗和开关损耗之间形成明显权衡——低电阻的MOSFET栅极电荷更大,在80V下总损耗反而更高。团队的解法是优化布线降低寄生电感,把栅极电阻从官方评估板的180Ω压到10Ω,同时把开关频率从20kHz降到15kHz,在效率与控制性能之间取平衡。



03.

强化学习策略:让脚"轻轻落地"

软件这边,控制策略采用GRU加MLP的网络结构,只依赖本体感知信息,以100Hz运行,底层电机控制在15kHz,状态估计用接触辅助不变扩展卡尔曼滤波以1kHz运行。

值得注意的是奖励函数的设计方式。团队没有简单地给"总能耗"加一个负奖励,而是把能耗相关奖励拆成若干项,分别对准具体的损耗来源:降低触地前足端速度以减少碰撞损失、抑制接触中的速度以减少滑移、以及一个考虑磁饱和的焦耳损耗项。

磁饱和这一项很关键。电机超过额定力矩后进入饱和区,电流增加带来的力矩收益递减,此时电流需求近似与力矩平方成正比。加入该奖励项后,策略会主动回避高力矩区间——实测在3米/秒运动时,84.1%的工作点落在额定力矩以内。

碰撞损耗方面,由于精确预测触地时刻很难,团队把接触信息放进价值网络的观测中,让策略学会提前减速。

还有一个反直觉的结果:抬高机身虽然会降低可操作度、增大足端等效惯量,但基于电气刚度的关节控制配合强化学习策略,在腿伸展至86%的高度下,电气损耗持续下降,而机械损耗几乎没变。原因在于,不同于只能在单个腿模块内储放能量的机械弹簧,共用电池允许能量在四条腿之间灵活再分配——实测中同步的右前腿呈现更强的发电行为,左后腿则更多处于电动状态。

最终在3米/秒时,整机COT降到0.237的最低点。



04.

42.195公里实测

验证选在第22届尚州柿饼马拉松,这是韩国公认难度较高的赛道之一:总爬升286米,最大坡度18.4°,路面以柏油为主,还有被落叶覆盖的湿滑路段。赛道为折返路线。

全程数据被完整记录:电池电压从67.2V降到57.6V(截止电压48V),累计能耗1280Wh,对应平均TCOT为0.248,与跑步机实验结果吻合。

有爬升却仍然省电,一个原因是下坡时的能量回收。在3米/秒下对平地、7°上坡、7°下坡的损耗分析显示,上坡额外增加100.5W,下坡则回收107.5W,上下坡基本相互抵消。

当然限制也存在:目前用的是盲视控制器,针对常规地形优化,楼梯、山地等特殊环境的损耗模型不同,需要进一步发展环境感知的高效运动策略;此外当前实验基于人工操控,自主导航还需要能基于全局地图规划能量最优路径的规划器。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-026-11102-5

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
火药味已起,皮克社媒晒5-0手势照片:国家德比周

火药味已起,皮克社媒晒5-0手势照片:国家德比周

懂球帝
2026-10-23 03:28:16
A股:大家做好准备吧,又有消息传来,下周大概率将这样走

A股:大家做好准备吧,又有消息传来,下周大概率将这样走

财经大拿
2026-10-23 12:33:08
亚锦赛冲冠:石洵瑶VS日本张本美和,王艺迪、蒯曼、陈熠等出战

亚锦赛冲冠:石洵瑶VS日本张本美和,王艺迪、蒯曼、陈熠等出战

大龄女一晓彤
2026-10-23 15:01:12
39岁张雪再破天花板!央视正式官宣,德比斯连同整个车坛都沉默了

39岁张雪再破天花板!央视正式官宣,德比斯连同整个车坛都沉默了

探长影视解说
2026-10-22 18:35:13
苏州、宁波、合肥——GDP追得上,工资单追不上

苏州、宁波、合肥——GDP追得上,工资单追不上

奇思妙想生活家
2026-10-23 16:33:32
俄乌战争这场仗打不下去了

俄乌战争这场仗打不下去了

凤眼论
2026-10-21 20:36:36
《伟大的长征》爆火,业内热议万茜,演贺子珍没有一滴泪,观众却破防了

《伟大的长征》爆火,业内热议万茜,演贺子珍没有一滴泪,观众却破防了

阿废冷眼观察所
2026-10-23 05:57:38
男子确诊癌症晚期,已无法手术,44岁弟弟陪诊后怕了,主动检查也确诊癌症,术后一周便出院;医生:这类人尽早筛查

男子确诊癌症晚期,已无法手术,44岁弟弟陪诊后怕了,主动检查也确诊癌症,术后一周便出院;医生:这类人尽早筛查

南方都市报
2026-10-20 23:33:24
皇马4:1大胜后,皇马34岁门将库尔图瓦亲口确认:计划在皇马终老退役

皇马4:1大胜后,皇马34岁门将库尔图瓦亲口确认:计划在皇马终老退役

福酱的小时光
2026-10-23 11:50:11
外交部:美方应当遵守市场经济原则 停止干扰企业之间的正常经贸合作

外交部:美方应当遵守市场经济原则 停止干扰企业之间的正常经贸合作

新京报
2026-10-23 15:29:14
“郑欣宜在沈殿霞墓前哭”冲上热搜,网友拍到郑欣宜在母亲墓前哭到无法起身、手里攥着纸巾,无人在旁陪伴

“郑欣宜在沈殿霞墓前哭”冲上热搜,网友拍到郑欣宜在母亲墓前哭到无法起身、手里攥着纸巾,无人在旁陪伴

扬子晚报
2026-10-22 14:42:47
陪玩陪睡只是皮毛!继手伸进裤子后,又一女星自曝,50多都不放过

陪玩陪睡只是皮毛!继手伸进裤子后,又一女星自曝,50多都不放过

素衣读史
2026-06-24 14:19:33
杨超越自曝参加《创造101》初衷:只是想让简历好看,出去找工作能涨个200块

杨超越自曝参加《创造101》初衷:只是想让简历好看,出去找工作能涨个200块

韩小娱
2026-10-23 12:16:41
当众拒唱国歌不认中国籍,把两个孩子全送出国,如今报应终于来了

当众拒唱国歌不认中国籍,把两个孩子全送出国,如今报应终于来了

鹤羽说个事
2026-09-02 16:51:59
“对不起长官,没有认出这是您的孩子……”这个崇拜美军的韩国右翼,尴尬了!

“对不起长官,没有认出这是您的孩子……”这个崇拜美军的韩国右翼,尴尬了!

环球时报国际
2026-10-23 07:31:52
恩爱40年难抵残酷现实?65岁刘德华近况曝光,14岁女儿成遗憾

恩爱40年难抵残酷现实?65岁刘德华近况曝光,14岁女儿成遗憾

菲儿爱蛋糕
2026-10-20 17:43:22
楼市突然暴涨62%,买房人跑步入场,这次玩笑开大了!

楼市突然暴涨62%,买房人跑步入场,这次玩笑开大了!

专业聊房君
2026-10-21 19:58:40
公路车骑行服,熟女骑行穿搭,利落面料勾勒饱满曲线

公路车骑行服,熟女骑行穿搭,利落面料勾勒饱满曲线

只要高兴就好
2026-09-24 11:58:50
湖北体量最大的皮肤科要搬家了!武汉市第一医院新大楼26日开诊

湖北体量最大的皮肤科要搬家了!武汉市第一医院新大楼26日开诊

武汉交通广播
2026-10-23 16:24:01
乌克兰以俄军之道还施俄军之身

乌克兰以俄军之道还施俄军之身

名人苟或
2026-10-23 16:11:34
2026-10-23 18:31:00
机器人大讲堂 incentive-icons
机器人大讲堂
立德机器人平台,是一个集媒体品牌、智库咨询、投资孵化、引智招商为一体的机器人垂直领域服务平台
7214文章数 4609关注度
往期回顾 全部

科技要闻

抢运营商饭碗!马斯克又有大动作

头条要闻

李昌钰告别会举办 夫人泪别:你等我18年 我也跟你合葬

头条要闻

李昌钰告别会举办 夫人泪别:你等我18年 我也跟你合葬

体育要闻

没人看好的加图索,打出队史最佳开局

娱乐要闻

黎纪君晒与刘恺威合照 恋情后首次同框

财经要闻

叫"保障"不叫"保险":租车平台的文字游戏

汽车要闻

全球首款增程越野皮卡 长安猎手K70上市19.29万元起

态度原创

家居
艺术
亲子
教育
时尚

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

艺术要闻

贝聿铭创立的建筑事务所更名,全新logo公布!

亲子要闻

微记录:《一一学球记》第二集。 董路的微博视频

教育要闻

土耳其新教材虚构新疆历史,把新疆划进所谓突厥斯坦

衬衫专场|| 入秋以来最爱穿这件,怎么搭都好美

无障碍浏览 进入关怀版