机器人为什么又费电又难控制？——关于足式机器人能耗与脑机接口信号弱的调研报告
作者：许博然 孟迦南 王雨晨 卓言祺
1. 介绍
五一研学的时候，我们小组在科技馆里看到了很多厉害的机器人：有四条腿的机器狗，在复杂地形上爬来爬去；还有用脑电波控制的赛车，你戴上头环，想着“左转”它就能左转。听起来是不是很酷？可是我们仔细观察和体验之后，发现它们都有一个共同的毛病——不是那么靠谱。
许博然从小就喜欢机器人，看过很多科幻小说和纪录片。他蹲在机器狗旁边看了好久，发现一个问题：“这个机器狗在平地上走路的时候，腿一直抬上抬下的，好多动作都是多余的，太费电了！”他查了一下资料，果然，现在的四足机器人（就是四条腿的）续航时间通常只有1-2小时，而两轮或四轮的机器人能跑4-5小时。为什么不能用轮子代替腿呢？可是遇到楼梯、碎石地，轮子又过不去。许博然就想：“能不能在机器狗的脚上装一个可以切换的东西？平地上变成轮子，复杂地形再变回腿？”
图1 许博然正在调研机器狗
孟迦南对另一个东西特别感兴趣——脑机接口。他戴上非侵入式的脑电波头环，想用意念控制一辆小赛车拐弯。结果呢？他使劲想“左转左转”，赛车纹丝不动；他又想“冲啊”，赛车终于动了，却直接冲出了赛道。“脑电波太弱了，根本控制不好！”孟迦南很沮丧。他了解到，非侵入式脑机接口不用开刀，很安全，但是信号很弱，就像隔着一堵墙听别人说话，模模糊糊的。
图2 孟迦南正在体验脑电波赛车
王雨晨对格斗机器人最着迷。他说：“机器人是仿生人，一部分是为了给人服务，另一部分也是为了服务人。但也有人提出未来机器人可能会取代人类。我认为机器人确实有可能取代人类，但不是所有方面。”他顿了顿，眼睛亮了起来，“我为什么喜欢格斗机器人？因为本来只有生命可以活动，但人类让那些冰冷的机器有了像生命一样的活力，让那些零件不再是冰冷的机器，而是有了温暖。本来只有人能格斗，现在让机器人也能格斗，这太有新鲜感了！”王雨晨觉得，机器人也需要不断学习、不断创新，就像人一样。
图3 王雨晨正在体验机器人
卓言祺一开始有点害羞，但在体验环节他玩得最投入。他追着一个会互动的机器人跑来跑去，机器人做什么动作他就跟着做什么。“它可以陪我互动，很好玩！”小鱼老师问他将来想不想做一个机器人，卓言祺认真地说：“我想让机器人帮我写作业，做我做不到的事情。”这句话把大家都逗笑了，但也说出了很多小朋友的心声。
图4 卓言祺正在体验机器人
带着这些发现和困惑，我们决定做一次调研。我们问了42个同样参观过科技馆或者玩过机器人、脑机接口的小朋友，想弄清楚：大家觉得机器人费电的问题严重吗？脑机接口不好控制的情况普遍吗？大家有什么改进的好想法？下面就是我们的调研结果。
2. 方法
2.1 调查对象
我们利用研学间隙和课余时间，在科技馆、学校班级群和社区里，一共问了42个小学生。年龄从7岁到12岁（一年级到六年级），其中男生29人，女生13人。这些小朋友都至少体验过一种机器人（四足机器人、格斗机器人）或者脑机接口设备。
2.2 调查方式
我们设计了四个简单的问题，像聊天一样去问。许博然负责问关于机器人的问题，孟迦南负责问关于脑机接口的问题，王雨晨和卓言祺负责记录。
问题1： 你觉得四条腿的机器人（比如机器狗）在平地上走路费电吗？你遇到过它没电“趴窝”的情况吗？
问题2： 你体验过用脑电波控制东西吗？你觉得好控制吗？最大的困难是什么？
问题3： 如果让你来改进，你会怎么让机器人更省电？或者怎么让脑机接口更好控制？
问题4： 你最希望未来的机器人帮你做什么？
我们就是一支笔、一个本子，还有我们的好奇心。
3. 结果
3.1 问题1：足式机器人费电是普遍问题吗？
42个人里，有37人（88.1%）认为四足机器人在平地上走路“很费电”或者“有点费电”。其中，有24人（57.1%）亲眼见过机器狗在演示中途没电“趴窝”。
一个小朋友说：“我上次看机器狗表演，它爬了个楼梯，又跑了两圈，然后就趴在地上不动了，工作人员说是没电了。”另一个说：“我家里的玩具机器狗，充满电只能玩40分钟，还不如我的遥控车跑得久。”
当被问到“你觉得腿和轮子哪个更省电”时，34人（81.0%）选了轮子。一个四年级男生说：“轮子一直转就行了，腿要抬起来、放下去，还得多用好几个电机，肯定更费电。”
但是，当被问到“如果完全用轮子代替腿，遇到楼梯怎么办”时，31人（73.8%）认为轮子爬不了楼梯。这说明大家知道腿有腿的好处，轮子有轮子的好处，如果能结合起来就好了。
3.2 问题2：脑机接口好控制吗？
42人中，有16人（38.1%）实际体验过非侵入式脑机接口（比如意念控制赛车、意念控制小飞机）。这16人里面，有14人（87.5%）表示“很难控制”或“完全控制不了”。
具体困难是什么？
孟迦南的遭遇不是个例。一个五年级女生说：“我试了三次，想让它左转，它每次都右转，我感觉它在跟我作对。”另一个男生说：“我练了半个小时，终于能让它前进了，但旁边有人咳嗽一声，它就乱跑了。”
没有体验过脑机接口的26个小朋友中，有22人（84.6%）表示“很想试试”，但也有8人（30.8%）担心“会不会有辐射”或者“会不会伤到大脑”。这说明大家对脑机接口既好奇又有点害怕。
3.3 问题3：大家有什么改进的好想法？
这个问题我们收到了很多有创意的答案。我们先整理关于“让机器人更省电”的想法：
许博然提出的“棘轮切换”想法，很多小朋友都表示赞成。一个六年级男生说：“就像那种变形金刚，平时是车，遇到障碍就站起来变成机器人。”另一个小朋友说：“可以在机器狗的膝盖上装小轮子，平地上它就把腿收起来，用膝盖的轮子滑行。”
关于“让脑机接口更好控制”的想法：
孟迦南的建议是：“可以先让脑机接口学习你想着‘左’的时候脑电波是什么样子的，记住之后再去控制，准确率会高很多。”这个其实就是“机器学习”，大家自然而然地想到了。
3.4 问题4：最希望未来的机器人帮你做什么？
“帮我写作业”排第一！超过四分之三的小朋友都选了这一项。一个三年级男生说：“我希望机器人能帮我做数学题，尤其是应用题，太难了。”另一个女生说：“不是让它全部帮我写，就是我不会的时候它教我一下也行。”
“帮我打扫卫生”排第二。很多小朋友说：“妈妈总让我扫地、倒垃圾，要是机器人能替我干就好了。”
“陪我聊天玩游戏”也有六成。卓言祺说：“我希望有一个机器人朋友，可以陪我聊天，还能帮我做我做不到的事情。”
4. 讨论
4.1 为什么足式机器人费电？脑机接口难控制？
通过这次调研，我们总结出了几个原因：
关于足式机器人费电：
●腿的结构比轮子复杂。每条腿要好几个电机驱动，抬腿、落地、前后移动，每一步都要消耗能量。轮子只需要一个电机转起来就能一直滚动。
●平地走路有很多多余动作。机器狗在平地上走路，腿还是抬得很高，就像人走路时把膝盖抬到胸口一样，浪费力气。
●电池技术还不够好。现在的电池又重又不耐用，机器人背着大电池跑一会儿就没电了。
关于脑机接口难控制：
●非侵入式信号太弱。头环戴在头上，脑电波要穿过头骨、皮肤才能被接收到，就像隔着一堵墙听人说话，模模糊糊的。
●干扰太多。你眨一下眼睛、皱一下眉头、旁边有人说话，都会影响脑电波信号。
●每个人的脑电波不一样。机器不认识你的脑电波，需要花很长时间训练才能稍微控制。
4.2 我们给机器人和脑机接口的改进建议
虽然我们是小学生，但通过这次调研，我们也想出了几个办法：
针对足式机器人：
●设计“腿轮切换”结构。在机器狗的脚上装可以锁住的小轮子，平地上轮子着地，用轮子跑；遇到楼梯或石头时，把轮子锁住，用腿爬。许博然的棘轮想法就很好。
●让机器人自己判断地形。装上传感器，识别前面是平地还是楼梯，自动切换模式。
●用更轻的材料。比如碳纤维，减轻机器人的重量，自然就更省电了。
针对脑机接口：
●增加“校准”环节。每次使用前，先让机器认识一下你的脑电波。你想“左”的时候是什么波形？记下来之后再去控制，准确率会高很多。
●多模式结合。不要全靠脑电波，加上语音、眨眼或者轻轻摇头作为辅助。比如你想“左转”，脑子里想左，同时轻轻说一声“左”。
●改进头环硬件。用更灵敏的传感器，在不伤害人体的前提下，把信号放大一些。
4.3 我们能做什么？
这次调研让我们发现：现在的机器人还有很多不完美的地方——费电、难控制、不够聪明。但是，这些不完美正是我们可以去思考和改善的地方。下次你看到机器狗跑一会儿就没电了，或者玩意念控制玩不转的时候，别光觉得“不好玩”，可以想一想：“它为什么会这样？如果是你来改进，你会怎么做？”
5. 结论
本次调研发现，绝大多数小朋友（88.1%）认为四足机器人在平地上行走耗电严重，超过一半（57.1%）亲眼见过机器狗中途没电，同时几乎所有体验过非侵入式脑机接口的小朋友（87.5%）都表示很难控制，主要原因是脑电波信号太弱且易受干扰；大家最想做的改进方案是在机器狗脚上装可切换的轮子以降低平地能耗，以及给脑机接口增加“校准”功能来提升识别准确率。
责任编辑：李银慧
小字号