機器狗學會新技能：揮拍和人打羽毛球！這是怎么做到的

在瑞士蘇黎世聯邦理工學院的實驗室里，一場特殊的羽毛球賽正在上演。人類選手揮拍擊球，而他的對手，一臺四足機器狗ANYmal-D，正用金屬身軀展現驚人的靈活性。

這不是科幻電影《鐵甲鋼拳》中機器人拳擊的翻版，而科學家們正在變為現實的突破。他們成功訓練出了一只能夠與人類玩家進行羽毛球對打的機器狗，并將這項令人矚目的研究成果登上了機器人頂刊 Science Robotics。

羽毛球：機器人世界的“珠穆朗瑪峰”

你可能會好奇，為什么偏偏是羽毛球？在人類眼中，羽毛球是一項優雅而充滿技巧的運動，但對于機器人來說，它簡直就是一座難以逾越的“珠穆朗瑪峰”。

首先，羽毛球的速度快得驚人。在國際比賽中，羽毛球的飛行速度（通常指被擊出后的初速度）是用公里每小時（km/h）來衡量的，并且根據國際羽聯（BWF）標準分為五檔：慢速（≤76 km/h）、中速（77~82 km/h）、快速（83~88 km/h）、超快速（89~94 km/h）和最快速度（≥95 km/h）。

這些分類主要是為了適應不同海拔、氣溫和場館條件，確保比賽的公平性和觀賞性。頂尖選手的扣殺速度常常輕松突破300 km/h，甚至逼近400 km/h大關（約111 m/s），展現出驚人的爆發力。這意味著機器人必須在眨眼之間完成“看到球—預測軌跡—快速移動—精確揮拍”這一系列復雜的動作。任何一絲延遲、一點誤差，都可能導致失誤。

丹麥男雙球員科丁，創造了男選手殺球速度最快的吉尼斯世界記錄，殺球時速達426km/h。

而且，羽毛球運動對身體協調性的要求極高。人類運動員需要靈活的步法來覆蓋整個場地，同時還需要精準的手眼協調來判斷球的落點并揮拍擊球。這不僅僅是手臂的運動，更是全身肌肉的協同配合。對于機器人而言，如何讓它的“腿”和“手”像人類一樣默契配合，實現全身的協調運動，一直是一個巨大的挑戰。傳統的機器人往往只能在固定位置進行操作，或者只能進行簡單的移動，而羽毛球這種需要“跑動中擊球”的運動，則將機器人的運動控制能力推向了極限。

羽毛球基本球路：1.放小球 2.挑球 3.切球 4.高遠球 5.殺球。

另一方面，羽毛球比賽充滿了不確定性。對手的每一次擊球都可能帶來不同的速度、角度和落點，機器人必須能夠實時感知并適應這些變化。這不像工廠流水線上的重復性工作，每一次擊球都是一次全新的挑戰，需要機器人具備強大的學習和適應能力。

正因如此，讓機器人學會打羽毛球，不僅僅是為了娛樂，更是對機器人技術，特別是人工智能、感知和運動控制領域的一次全面“大考”。

智能突破：機器狗的“智慧”與“身手”

面對羽毛球運動的重重挑戰，蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊運用多項前沿技術的巧妙融合與突破，最終使其在羽毛球場上展現出令人驚嘆的實力。

機器狗系統概覽。機械臂由四足底座和動態機械臂組成，另外還額外安裝了一個立體攝像頭。機器人控制器系統接收在相機坐標系中計算出的羽毛球位置，預測攔截位置，并將其與機器人本體感知數據一起輸入強化學習（RL）策略。該策略通過生成關節指令來控制機器人的全部18個驅動裝置。

研究團隊運用了強化學習（Reinforcement Learning，簡稱RL）技術，這就像為機器狗請來了一位“金牌教練”。通過在模擬環境中進行數百萬次的“對打”，機器狗在沒有明確指令的情況下，通過“試錯”和“獎勵”機制，自主摸索并優化了擊球策略。

為了讓機器狗能夠“看”清高速飛行的羽毛球，研究人員為其配備了立體攝像頭。更重要的是，他們引入了“感知噪聲模型”，有效處理了真實世界中光線、背景和機器人自身運動帶來的感知干擾。這項創新使得機器狗在模擬和現實環境中都能保持一致的感知能力。此外，機器狗還學會了“主動感知行為”，即像人類運動員一樣，主動調整身體姿態（如俯仰）以確保羽毛球始終處于視野中央，這種“眼隨球動”的能力顯著提升了其對羽毛球軌跡的追蹤和預測精度。

機器狗評估球拍揮擊成功率的定量評估圖

僅僅擊中球還不夠，打好羽毛球還需要“預判”和“連續作戰”的能力。研究團隊為機器狗設計了羽毛球軌跡預測模型，使其能夠根據飛行速度和角度等信息，提前預測羽毛球的落點和軌跡。同時，通過“多目標揮拍訓練”范式，機器狗在訓練中需要連續完成多次擊球，模擬真實比賽場景。

機器狗訓練模擬場景

經過嚴苛的訓練和精心的設計，ANYmal-D機器狗在羽毛球場上展現出了令人驚嘆的實力。它不僅能夠準確地預測羽毛球的軌跡，還能以高達每秒12.06米的速度揮拍，并且在挑戰條件下仍能保持80%以上的擊球成功率。更令人稱奇的是，它還能與人類玩家進行長達10拍以上的連續對打，這在機器人領域是一個里程碑式的成就。

從球場到星辰：一場靜默的革命

ANYmal-D目前還只是“業余選手”，揮拍速度不及人類，邊角救球也顯吃力。但它的意義遠超一場勝負。它證明了腿式移動操作器（Legged Mobile Manipulators）這類新型機器人能在需要閃電反應、全身協調和精準感知的動態環境中勝任工作，這如同推開了一扇通往科幻世界的大門。

電影《星際穿越（Interstellar）》劇照

想象未來的健身房，這樣的機器人成為你永不疲倦的私人教練。它能根據你的水平精準喂球，分析動作瑕疵，是嚴師也是密友，如同《星際穿越》中可靠的TARS。在危險區域，例如核廢墟、地震殘垣甚至外星地表，它們將成為終極“運動員”，像追逐羽毛球般在險境中執行精密操作。而未來的工廠里，這些能走會抓的機器人將徹底改變流水線，像人類一樣自由穿行、靈巧裝配，把非結構化空間變成新主場。

這場革命的核心在于“通用性”。研究團隊指出，羽毛球只是起點，這套協調感知、移動與操作的系統，是打開無數動態任務大門的“萬能模板”。今天它在球場上揮拍，明天就可能馳援災區或探索火星。當機器開始掌握人類賴以生存的身體協調與空間智能，從體育到工業，從家庭到探險，無數領域將迎來深度重塑。

作者：楊雨鑫

審核：南京工業大學副教授 江蘇省科普作家協會科幻專委會主任委員 付昌義

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發，經授權發布