亲，大家都看到了，在2025年的春晚舞台上，一群穿花袄、甩手绢的机器人可是火了一把！它们不仅扭起了东北大秧歌，还玩起了转手绢的绝技，那手法、那速度，简直比“二人转”演员还要溜！今天，咱们就来聊聊这场表演背后的那些有趣的生物力学问题，让你在轻松愉快的氛围中，也能感受到科学的魅力！

一、春晚机器人转手绢的惊艳亮相

2025年的春晚，杭州宇树科技公司的人形机器人Unitree H1在张艺谋导演的节目《秧Bot》中惊艳亮相。这群机器人身穿花袄，扭起秧歌来有模有样，但最吸引人的，还是它们那转手绢的绝技（图1）。

图1 中央电视台2025年“春晚”节目《秧Bot》。有人问，机器人为何不穿裤子，光屁股出演呢？小编认为，一方面，机器人不需要保暖或遮羞，因此不用穿裤子；另一方面，“裸演”也能让大家一目了然地看到真的是机器人在表演，裤裆下面没有藏着一个活人。

只见机器人单手转动手绢，甩出优美抛物线后精准接回，动作流畅自然，仿佛真的是一群技艺高超的专业“二人转”演员呢。

这场表演背后，可是凝聚了机器人领域多项尖端技术的突破性进展。而咱们今天要聊的生物力学，就是其中不可或缺的一部分。

二、生物力学是什么？

在正式开聊之前，咱们得先搞清楚什么是生物力学。简单来说，生物力学是运用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的一门前沿交叉学科。它可是个跨学科的大佬，涉及生物学、力学、工程学、医学、信息科学等多个领域。

咱们平时看到的动物奔跑、跳跃、飞翔，还有咱们人类自己走路、跑步、举重等等，这些动作背后都藏着生物力学的奥秘；即使你“想静静”，什么都不干，也离不开生物力学；更别说行走坐卧、生老病死，更是离不开生物力学。而机器人转手绢的表演，虽然看起来是个简单的动作，但其实也涉及了生物力学的很多知识点。

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三、机器人的“手腕”有多灵活？

咱们先来看看机器人的“手腕”。要想转手绢转得溜，手腕得灵活啊！Unitree H1机器人就配备了19个仿生关节，每个关节都采用中空轴线设计，内置双编码器系统。双编码器系统是干嘛用的？简单来说，就是能提高系统的精度和稳定性。通过两个编码器的同时测量，可以获取更准确的电机位置和速度信息，减少误差。而且，双编码器配置还能增加系统的冗余度，提高抗干扰能力，这样就算其中一个编码器出故障，另一个也能确保系统稳定运行。这手腕的灵活度，可不是盖的！

就拿腕关节来说吧，它的峰值扭矩达到了360 N·m！这是什么概念呢？简单来说，就相当于单手提起36公斤重物！而且，它还能在0.1秒内完成从全功率输出到毫米级精准定位的切换。这种精密控制，可是得益于“动态平衡算法”的突破。

动态平衡算法是一种通过不断调整和优化系统的资源分配和任务调度，以实现系统在不同负载和变化环境下稳定运行和高效性能的计算方法。举个例子，一位杂技演员正在高空中的钢丝上行走。这条钢丝又细又长，而且风还在不时地吹动，给演员带来了很大的挑战。为了保持平衡，演员需要不断地调整自己的姿势和步伐。在这个场景中，演员的身体就相当于一个系统，而钢丝、风力和演员自身的重力等因素就是影响系统平衡的外部环境。为了保持平衡，演员需要运用一种“动态平衡算法”，即通过不断地调整和优化系统的资源分配和任务调度来实现系统的稳定运行和高效性能。

咱们平时转手绢，可能觉得就是个简单的动作，但其实背后涉及了很多复杂的力学原理。比如，肢体和关节的运动轨迹和活动度需要协调；局部运动和整个肢体的作用力和反作用力及运动要保持平衡；手绢在旋转时产生离心力以及胳膊甩动的力量会让手绢飞出去，等。而机器人要想稳稳地抓住手绢，就得通过调整关节的扭矩和角度，来抵消这个离心力。这就像是咱们骑自行车转弯时，得通过调整身体的倾斜角度和蹬车的力度，来保持平衡一样。

四、机器人是怎么“感觉”到手绢的？

咱们人类转手绢时，靠的是眼睛和手的感觉来感知手绢的位置和运动状态。那机器人呢？它们可没有眼睛和手的感觉，那它们是怎么“感觉”到手绢的呢？

这就得靠机器人的感知系统了。Unitree H1机器人搭载了3D事件相机和九轴IMU传感器。这个3D事件相机可厉害了，它就是机器人的“眼睛”，以每秒2000帧的速度捕捉手绢运动，配合深度学习模型，能在15毫秒内完成特征点识别。而九轴IMU传感器呢，就像是机器人的“神经”，则能实时监测手绢离手瞬间的角速度和线加速度。

有了这些感知系统，机器人就能实时地“看到”和“感觉”到手绢的位置和运动状态了。这就像咱们开车时用眼睛看路、用手握方向盘一样，机器人也通过这些感知系统来“看路”和“握方向盘”。

五、机器人是怎么预测手绢的飞行轨迹的？

咱们平时扔个东西出去，都能大概猜到它会飞到哪里。那机器人呢？它们是怎么预测手绢的飞行轨迹的？

这就得靠机器人的空气动力学建模了。基于计算流体力学（CFD）和流固耦合（FSI）的手绢运动模型（图2），能预判不同抛射角度下的飞行轨迹，提前规划接取路径。

图2 转手绢的CFD+FSI仿真分析

这就像咱们打篮球时投三分球一样，得提前判断好球的飞行轨迹和落点，才能投得准。机器人也是通过这种空气动力学建模的方法，来预测手绢的飞行轨迹和落点，从而精准地接住手绢。

六、机器人是怎么在短时间内做出决策的？

咱们平时扔个东西出去再接回来，可能得靠点反应速度和直觉估算（图3）。

图3 手绢飞去来兮

那机器人呢？它们是怎么在短时间内做出决策的？

这就得靠机器人的实时决策系统了。Unitree H1机器人运用了分布式边缘计算架构，每个关节控制器都具备本地决策能力。就好比是一个具有“去中心化机制”的区块链技术。有兴趣的看官，请关注我的个人微信公众号“医用生物力学”的文章：细胞的“去中心化”机制。

当手绢偏离预期轨迹时，腕部控制器能在3毫秒内自主调整接取策略。这种“反射神经”式的响应速度，比人类眨眼快10倍！

这就像咱们打网球时接发球一样，得在极短的时间内判断好球的方向和速度，然后神经系统和肌骨系统迅速做出反应。机器人也是通过这种实时决策系统，来在极短的时间内调整接取策略，从而精准地接住手绢。

七、生物力学在机器人领域的其他应用

其实啊，生物力学在机器人领域的应用可不止转手绢这么简单。它可是个跨学科的大佬，涉及生物学、力学、工程学、医学、信息科学等多个领域，在机器人领域有着广泛的应用。

1. 机器人的行走与奔跑

咱们平时看到的机器人，大多数都是慢悠悠地走路或者跑步。但其实啊，通过借鉴生物力学的肌骨系统运动原理，科学家们已经研发出了能够像人类一样快速奔跑的机器人了！

比如，麻省理工学院的科学家们就研发出了一种名为“猎豹”的机器人。它采用了四足行走的方式，能够像猎豹一样快速地奔跑。这种机器人的设计灵感就来源于猎豹的生物力学特性，比如它的骨骼结构、肌肉分布和运动方式等。

通过借鉴生物力学的原理，科学家们还研发出了能够像人类一样行走的机器人。这些机器人不仅能够像人类一样保持平衡、迈步和转弯，还能根据不同的地形和路况来调整行走策略。

2. 机器人的精细操作

除了行走与奔跑外啊，生物力学在机器人的精细操作方面也有着广泛的应用。

比如啊，在医疗领域里啊，科学家们已经研发出了能够像外科医生一样进行精细手术的机器人了！这些机器人不仅能够准确地找到病灶位置啊，还能根据手术的需要来调整操作力度和角度啊！

这种精细操作的能力啊，可离不开生物力学的支持啊！科学家们通过研究人类的手部运动啊，发现我们的手指在运动时能够保持非常高的精度和稳定性啊！于是啊，他们就将这一原理应用到了机器人的手部设计中，让机器人也能够像人类一样进行精细操作。还有啊，机器人在触碰到人体不同位置的不同组织时可以感知到不同的作用力和反作用力，从而调整机器人的动作，既能做到“手到病除”，又不会对正常组织造成伤害。

3. 机器人的跳跃与飞行

再来说说机器人的跳跃与飞行。在自然界中，许多动物都拥有出色的跳跃和飞行能力，比如青蛙、袋鼠、鸟类等。这些生物的运动方式背后，都蕴含着复杂的生物力学原理。

科学家们通过研究这些生物的运动机制，将其中的生物力学原理应用到机器人设计中，研发出了能够跳跃和飞行的机器人。比如，有些机器人能够像青蛙一样进行高效跳跃，有些则能够像鸟类一样在空中飞翔。

这些机器人的研发，不仅让我们看到了生物力学在机器人领域的广泛应用，也为我们探索未知世界提供了更多的可能性。想象一下，未来我们或许能够派遣这些具有跳跃和飞行能力的机器人，去执行一些人类难以完成的任务，比如探索险峻的山地、深入茂密的森林，或者前往遥远的星球进行勘探。

4. 机器人的仿生设计

最后，不得不提的是机器人的仿生设计。仿生设计是生物力学在机器人领域应用的又一重要方向。它通过观察和研究生物体的结构、功能和工作原理，将这些原理应用到机器人设计中，使机器人具备类似生物体的特性和能力。

比如，前面提到的Unitree H1机器人，它的设计就借鉴了人类的关节结构和运动方式，使得机器人能够像人类一样灵活地转动手腕、扭动身体。再比如，有些机器人模仿了蛇的运动方式，能够像蛇一样蜿蜒前行，适应各种复杂环境。

这些仿生设计的机器人，不仅让我们看到了生物力学在机器人领域的无限潜力，也为我们提供了更多的设计灵感和思路。未来，随着生物力学和机器人技术的不断发展，我们相信会有更多具有创新性和实用性的仿生机器人问世，为我们的生活带来更多便利和惊喜。

八、生物力学与机器人的未来展望

展望未来，生物力学与机器人的结合将会更加紧密。随着生物力学研究的不断深入和机器人技术的不断进步，我们相信会有更多具有生物特性的机器人问世。

这些机器人将会更加智能、更加灵活、更加适应各种复杂环境。它们将能够像人类一样进行各种复杂运动和操作，甚至在某些方面超越人类的能力。比如，它们可能会拥有更强的力量、更快的速度、更高的精度和更好的稳定性。

同时，生物力学在机器人领域的应用也将会更加广泛。除了前面提到的行走、奔跑、精细操作、跳跃飞行和仿生设计外，生物力学还可以应用到机器人的感知、决策、学习等方面。比如，通过研究生物的感知机制，我们可以让机器人更加敏锐地感知周围环境；通过研究生物的决策过程，我们可以让机器人更加智能地做出决策；通过研究生物的学习机制，我们可以让机器人更加自主地学习和进化。

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好啦，今天的科普文章就到这里啦！希望通过这篇文章，大家能够对生物力学在机器人转手绢表演中的应用有更深入的了解，也能够对生物力学和机器人技术的未来发展充满期待。如果大家还有什么疑问或者想要了解更多关于生物力学和机器人的知识，欢迎随时留言交流哦！