Почему человек, в отличие от большинства млекопитающих, ходит на двух ногах? Оказывается, эволюция выбрала самый энергоэффективный вариант — и робототехника повторяет этот путь.
В рамках разработки универсального программного стека для гуманоидных роботов перед нами встал фундаментальный вопрос: почему именно двуногая архитектура должна стать основой для масштабируемых робототехнических решений? В эпоху стремительного развития автономных систем и мобильной робототехники важным становится выбор оптимальной платформы для передвижения по земле. В этой статье рассмотрим количественные доказательства превосходства двуногих систем (бипедов) над многоопорными платформами с точки зрения энергоэффективности, надёжности и экономики производства. Основу анализа составляют данные из биомеханики, робототехники и эволюционной биологии.
Cost of Transport: ключ к пониманию энергоэффективности
Cost of Transport (COT) — стоимость перемещения, характеризующая, сколько энергии затрачивается на транспортировку единицы массы на расстояние в один метр. Чем ниже COT, тем эффективнее система.
Для человека, как идеального двуногого существа, этот показатель составляет всего 0,20 Дж/кг/м при скорости ходьбы около 1,3 м/с.
Современные двуногие роботы, например CASSIE, демонстрируют COT около 0,7 Дж/кг/м при 1,0 м/с — это значительный прогресс, приближающий робототехнику к биологической эффективности.
В то же время шестиногие роботы показывают COT от 5,75 до 70 Дж/кг/м (исследование 1 и исследование 2) — то есть их расход энергии почти в 28 раз больше, чем у человека.
Причина кроется в количестве и сложности приводов: двуногие системы используют 6–12 приводов, а шестиногие — как минимум 18, и каждый дополнительный привод увеличивает потери из‑за координации и внутренних взаимодействий.
Важное замечание: абсолютное значение COT зависит от скорости, размера робота или животного, а также рельефа и конкретной реализации. Однако тенденция к увеличению COT с ростом числа ног и степеней свободы на ровной поверхности является хорошо установленным фактом в биомеханике и робототехнике, подтверждённым как теорией, так и экспериментами.
Биологические преимущества двуногой локомоции
Биология и антропология тоже на стороне двух ног. Метаболические исследования показывают, что:
Людям при двуногой ходьбе нужно всего около 25% энергии от той, что тратит шимпанзе при четвероногом передвижении.
Если человек вынужден ходить на четырёх конечностях, его энергозатраты увеличиваются более чем в 2,5 раза по сравнению с двуногой походкой.
Эти данные свидетельствуют о фундаментальных преимуществах и эволюционной оптимизации двуногой локомоции.
И ещё несколько фактов в поддержку двуногого перемещения:
Минимальный COT уменьшается с ростом массы тела по закону: ≈ СОТ ∝ M^(−1/3).
Природа выбрала бипедализм как энергоэффективное решение для наземной локомоции приматов, что подтверждается и механикой: ходьба в стиле инвертированного маятника позволяет восстанавливать до 70–85% энергии за счёт обмена потенциальной и кинетической энергиями. Для сравнения: у четырёх‑ и шестиногих животных этот коэффициент рекуперации существенно ниже — от 15 до 60%.
Вертикальная осанка дала дополнительные преимущества, такие как улучшение терморегуляции.
Надёжность и сложность: математический подход
Математика надёжности оказывается решающей для операционной экономики. Каждая дополнительная степень свободы в робототехнике — это ещё один потенциальный источник отказа. Надёжность системы с n одинаковыми компонентами вычисляется по формуле Rs = R^n, где R — надёжность одного компонента.
Теперь посчитаем надёжность систем для приводов с индивидуальной надёжностью 98%:
Двуногая платформа с 12 приводами → надёжность около 78,4%.
Шестиногая с 18 приводами → уже около 69,5%.
Гипотетическая система с 200 приводами → всего 1,8%.
При прогнозируемых объёмах свыше 100 000 единиц в год даже небольшие различия в надёжности превращаются в огромные гарантийные и сервисные расходы. Преимущество бипедов по MTBF (Mean Time Between Failures) на 50% (то есть 25 000 часов против 16 667) означает миллиарды экономии совокупных затрат жизненного цикла при масштабировании.
Не менее ограничивающим оказывается и масштабирование вычислительной сложности. Вычисление динамики робота масштабируется как O(n²) для n сочленений, требуя решения матриц инерции n × n на частотах управления 400–1000 Гц. Системы управления шестиногих требуют порядка 1480 умножений и 1152 сложений на цикл управления только для базовой динамики, при этом требования к памяти масштабируются как n³ для полнофункционального оценивания состояния. Для сравнения: типичные двуногие системы с 12–16 степенями свободы требуют в 3–4 раза меньше операций.
Моделирование многоопорных роботов показывает, что при увеличении количества ног с 6 до 50 время выполнения кинематических алгоритмов растёт менее чем в три раза. Но это относится лишь к кинематике — полный стек управления, включающий слияние сенсорных данных, планирование пути и координацию приводов, демонстрирует экспоненциальный рост, который часто превышает ограничения реального времени. Многоопорные системы часто ограничиваются частотами 100–500 Гц против 1000+ Гц у двуногих — критическая разница для динамического управления.
Экономика производства и сроков разработки
Стоимость приводов варьируется от $5000 до 15 000 за единицу, однако интеграционные затраты растут сверхлинейно — около n^1,5 из‑за требований безопасности и валидации.
Стоимость разработки и сборки робота существенно уменьшается за счёт бипедов. Пока Spot коммерчески продаётся за $74 500, стоимость гуманоидов снизилась с более чем $100 000 в 2022 году до прогнозных $20 000–30 000 для Tesla Optimus при массовом производстве.
Китайские производители, такие как Unitree, уже предлагают двуногие платформы за $16 000, а экономика серийного выпуска указывает на возможное снижение стоимости — менее $11 000 — к концу 2025 года. Преимущества «кривой обучения» складываются: более простые двуногие системы требуют на 50% более коротких циклов разработки и на 70% меньше датчиков, ускоряя итерации и улучшения.
Задачи городской среды и преимущества двуногих роботов
Современная инфраструктура создана для двуногих людей:
Типичные параметры, например высота ступенек в 15–20 см и ширина дверных проёмов в 80 см, идеально подходят для бипедальных платформ.
В таких условиях двуногие роботы сохраняют до 90% своей эффективности, в то время как шестиногие — лишь около 45%.
Многоопорные платформы тратят до 200–400% больше энергии, чем требуется для простого прямолинейного движения, что связано со статическими нагрузками и необходимостью координации.
Повороты на месте с нулевым радиусом доступны двуногим, но недостижимы для «распластанных» многоопорных морфологий.
Требования к минимальной ширине проходов у двуногих — корпус + 10 см, у четвероногих +30–40 см, у шестиногих +60 см и более, что критично ограничивает доступ последних в «человеческие» пространства.
Пример из индустрии: Boston Dynamics и Agility Robotics
В 2024 году Boston Dynamics перевёл Atlas с гидравлического на полностью электрический привод — признак роста внимания к энергоэффективности. Однако при сравнении двуногого Atlas и четвероногого Spot последний показывает лучшее значение «энергия/масса» — 17,2 Вт·ч/кг у Spot против 43,5 Вт·ч/кг у Atlas. Пока это даёт квадрупедам больше эффективности. Однако новейшие двуногие, например Digit от Agility Robotics, показывают 28,6 Вт·ч/кг при времени работы 4–8 часов и сохраняют манипуляционные возможности, недоступные для многоопорных.
Робот | Энергопотребление (Вт·ч/кг) |
|---|---|
Spot (четвероногий) | 17,2 |
Atlas (двуногий) | 43,5 |
Digit (двуногий) | 28,6 |
Итоги: двуногая локомоция — главный тренд будущего
Количественный и комплексный анализ показывают, что двуногие роботы:
До 28 раз превосходят по энергоэффективности шестиногие платформы.
На 50% более надёжны и, как следствие, требуют меньших эксплуатационных расходов.
Снижают затраты на разработку и производство, тем самым ускоряя выход на рынок.
Наиболее приспособлены для городской среды и задач общего назначения.
Хотя в некоторых специализированных областях многоопорные роботы и сохраняют свои преимущества и фундаментальные физические законы, однако экономические и архитектурные особенности делают двуногих роботов наилучшим инженерным выбором для большинства задач автономной наземной робототехники.
