聰明的機器人

央視國際 2004年10月14日 16:05

　　觀眾朋友，大家好，歡迎收看今天的走近科學。提起機器人，你可能會想起那個頂著方腦袋，行動笨拙又憨態可掬的機器人，它是科研人員模倣人模樣所做的機器人，由於外形像人，它被叫做人形機器人。現在我手裏拿著一樣東西，你可能會覺著它毫不起眼，那我要告訴你，這也是一個機器人，它的樣子有點古怪，現在我們可以給它接上電源，看看是個什麼樣子。

　　可能你已經看出來了，有點像蛇一樣在運動，科研人員把它叫做蛇形機器人。這是一種模倣蛇所設計的倣生機器人，雖然它的外形與人形機器人千差萬別，但都是為了完成不同的任務所設計的，同樣都屬於機器人。那麼，你可能要問了，到底什麼是機器人，它們究竟能幹什麼，倣生機器人僅僅是模倣生物的外形麼？

　　它們是人類害怕的機器人，像人，具有強大而致命的力量，是一心一意想取代人類的魔鬼終結者。而另外一些機器人，它們善於溝通，聰明能幹。然而，這只是電影，現實中的機器人該是怎樣的呢？

　　採訪王躍超（中國科學院瀋陽自動化研究所所長 研究員）：實際上機器人這個術語，這個名詞，最早是藝術家提出來的，那麼現在在這個學科領域裏，我們現在公認大概是在1921年一個捷克的劇作家，寫了一個歌劇，叫《羅薩姆的萬能機器人》，裏面主要的內容是講要發明一種機器人，它能聽人的話，為人來工作。

　　這位捷克作家寫到，機器人整天以呆板的方式從事繁重而又不公正的勞動，有點像奴隸。在捷克語裏奴隸寫作“Robota”，但是作者創意地把它少寫了一個字母，後來“Robot”一詞就成了機器人的意思。

　　採訪王躍超：藝術家筆下産生的機器人的這個概念，來自於藝術家想象。但是真正機器人實際上作為一個技術産物産生是上個世紀50年代，隨著第一次世界大戰，自動化技術、還有一些數控機床的一些發展，實際上就産了機器人技術。

　　簡單來説，機器人就是一部機器，但具有自主行為能力，能夠完成一定的工作。它們的外形、大小和功能都各不相同。自從它們出現以後，它們便被委派完成許多骯髒、枯燥和危險的工作。

　　採訪王躍超：最早機器人是怎麼産生的呢？首先是在美國的阿爾貢國家實驗室，它在研究處理，怎樣處理核廢料，核廢料有輻射性，有放射性，人去處理是很危險的，所以這時就提出用遙控的辦法，遙控的辦法，就想人在一邊操作一個機器人，另一邊它就可以去操縱有害的放射性物質，那麼這兩個之間離得比較遠，這個可能是最初的技術需求在這裡。

　　這個機器人看起來很不起眼，但對於清理核廢料這樣的事，人類的確無法與它想比。讓機器人來完成這樣的工作，顯然是個好的想法。

　　時間進入到20世紀60年代，隨著汽車製造業的發展，汽車裝配線上需要更多的人來承擔焊接、組裝等工作，這對人類來説是一些重復執行的複雜工作，但機器人卻能幹得很輕鬆。這給機器人帶來了出頭露面的機會，搭上汽車工業這輛順風車，機器人也就此慢慢地打入到了工業界，被我們稱為工業機器人。

　　採訪王躍超：但是這個機器人應該説僅僅相當於人的一個胳膊，所以我們常常説這種工業機器人叫做機器人手臂，它完成的這樣一個動作，比如焊接，搬運，大概相當於人的一個胳膊就行了，所以叫機器人的話，從原先是説，人這樣一個形狀，最後到真正實用的僅僅是人的一部分功能，所以叫機器人也不足為奇。

　　機器人必須是一種具有感知、決策和行為能力的機械電子裝置，而自動化裝置不滿足這些特點，所以不能稱為機器人。現在我手裏拿著的東西，也是一個機器人。是科研人員做的一個小型地面機器人的試驗模型，雖然它的外形像一個簡單的小車，但是它具備機器人的幾個條件。舉例説，在遇到不同的障礙物時，它的控制系統能夠感知到，並且能夠自主做出決策，採取哪種方式跨越過去，有點類似於人或生物的智慧能力。

　　究竟應該怎樣才算是機器人？也許你還心存疑惑，然而，當你了解了它的歷史以後，也許你不會再有這種疑惑了。從技術發展來看，機器人可以分為三代。第一代是示教再現型機器人，機器人有部分電腦化控制能力，但最後的決策仍然是人類。第二代是感覺機器人，人類指派任務以後，機器人有足夠的智慧完成工作，不必實時指導。第三代是智慧機器人，機器人幾乎不必由人類控制，然而，一旦機器人有了意識之後，這未必是件好事情。

　　1997年，世界象棋大師卡斯帕羅夫與IBM公司的電腦“深藍”進行了一場比賽。最終，機器人戰勝了象棋大師，這讓人類遭受了一次前所未有的打擊。但是，稍做分析我們便會發現，深藍只不過是一個能做出明智選擇的電腦，並不具有人工智慧，它也不可能戰勝所有的人，只是勝過人類的一些單一功能而已。它們具有智慧，但它們沒有人類的意識。

　　因此，我們不用擔心會有科幻電影中的有意識機器人的出現。我們需要為機器人創造某種大腦，讓機器來勝任人類所想象的一切工作，但並不需要一個與人類一樣的大腦。不僅因為模倣人腦的天大困難，而更多可能會帶來一連串社會問題，也許這離我們還很遙遠。

　　雖然我們想讓機器人離開它們的基座走入我們的生活，但這比科幻電影裏描述的要困難得多。即使與許多動物相比，現有機器人的能力仍不可及。機器人專家發現，要做一個類人機器人的確非常之困難，但如果模擬簡單一些的動物，做一些簡單的機器人，也許有時更為實用，而這也會更有助於研究類人機器人。

　　採訪王躍超：生物經過幾十億年的進化，它的結構已經趨於完美，我們如果能夠認識它的裏頭的一些運動的規律，那麼我們可能做出來的人造物，效率可能會更高。所以我們要不斷從生物體當中的一些研究和認識當中汲取創新的源泉，這就是説現在為什麼要把倣生學和機器人學相結合。

　　蛇，是無肢動物中最龐大的一類，在地球上約有2500多種，恐怕也是地球上令人類可怕和厭惡的生物之一。它們求生能力強，是天生的狩獵好手，而有時它也會潛藏在某些陰暗角落，等待時機，追捕獵物。它們身體細長，行走時沒有腿的限制，地上、水中、樹上，它們都能靈活自如地運動。

　　採訪李斌（中國科學院瀋陽自動化研究所 研究員）：（蛇）在一些較平的路上，它就會採取蜿蜒運動的方式進行，假如它在狹窄空間，它就會採取伸縮運動的方式，當它在沙漠地帶，會採取側向運動，它之所以能夠採取這些運動，與它身體上，皮膚上的傳感器是分不開的。這些傳感器能夠幫助它，能夠識別這種地面的特性，因而，它在識別地面特性以後，它就會採取與這個地面相適應的一些步伐來運動。

　　側向運動時，蛇身體只有幾個點接觸地面，為了減少與高溫沙漠接觸，沙漠蛇多半採用這種運動形式。

　　在狹窄的空間內，蛇無法擺動，只能採用直線和伸縮的方式向前運動。

　　大多時候，蛇採用蜿蜒運動的方式前進，這是它效率最高的運動方式。

　　許多外星球的表面環境凹凸不平，而這正好適合細長柔軟的蛇類活動，這讓科學家研究外星探測機器人找到了一個很好的藍本。

　　採訪李斌：大概是在2000年10月份，美國宇航局，也就是NASA，它公佈了一條消息，説它們正在研製一種蛇形機器人，而且這種蛇形機器人能夠適應外星球，比如月球、火星等等這種未知的環境來做一些探察工作，而且預計在5年以後能夠投入到使用。所以當時呢，我們國家現在月球探測工程首席科學家歐陽自遠院士説，能不能我們在這方面做一些先期的研究工作，所以基於這個，我們就開始了蛇形機器人的研究工作。

　　在中科院瀋陽自動化研究所機器人學重點實驗室，李斌課題組正在研究這種模倣蛇的機器人，是一種倣蛇的蛇行機器人。

　　採訪李斌：蛇形機器人，應該説是一種典型的無肢運動的機構，它和傳統的機器人的機構是不一樣的，比如説傳統機器人的機構都是以輪子、腿或履帶為行走工具的，或者是輪、腿、履帶複合這種機構，而蛇形機器人是靠身體與地面的這種摩擦作用來進行移動的，這與輪、腿、履帶這種機理和方式都是不一樣的。

　　蛇是以腹部貼著地面行動的，那麼，它游動的力量來自哪呢？其實，這個秘密在就于它腹部的鱗片。蛇運動時的力量來源便是鱗片和地面之間形成的摩擦力。

　　採訪李斌：蛇就是依靠身體與地面的相互作用産生向前的力來實現（運動）的，這種作用是通過它的鱗片與地面來發生作用的，它的鱗片有一種特殊的（結構），當它橫向運動時，摩擦阻力會很大，當它在它前進方向的時候，這個鱗片使得它在前進方向上的摩擦力很小。這樣，當它的身體形成一定的曲線的時候，它就可向前運動了。

　　而蛇形機器人的鱗片便是安在底部的被稱為被動輪的小輪子。當蜿蜒運動時，輪子的側向移動會增大橫向摩擦力，而前進時，輪子又會減小前進方向上的摩擦力，從而使蛇形機器人能夠像蛇一樣蜿蜒前進。然而，當它一不小心衝撞到真的蛇時，真蛇受到刺激會進行攻擊，但蛇形機器人不會理會這些，因為它還受人的控制。而這讓它能夠幫助我們做更有意義的工作。

　　採訪李斌：今天咱們做一個探察實驗，現在在這個箱子裏面，一邊寫上字了，一邊上頭有個手機，現在在外面什麼都看不著。今天想用這個蛇形機器從這個洞裏鑽進去，能夠把這些字和手機發現，我們就想做這個實驗。行，各部分先準備好，看看把蛇擺好位置，這邊的監控臺準備好，對，檢查檢查都有沒有問題。

　　好，都準備好，我們就開始試驗。

　　這實際是蛇形機器人應用的一個小實驗，因為它柔軟細長，所以蛇形機器人可以被用來探查一些其他方法不能到達的狹小和危險的環境。

　　當然，蛇形機器人也可不用人為控制，只要給它行走的命令，它也會自主行動，但是目前它還沒有足夠的智慧來識別周圍的環境。而一個很好的想法將有助於改變這個事實，就是使蛇形機器人通過各種地面“經歷”記住如何在不同表面的土地上前進，將來只需要一個行動命令，蛇形機器人便能夠自主採用合適的行為方式，去完成交給的任務。

　　蛇遇到障礙物，便會主動繞開，現在，蛇形機器人也做到了，這不是由人來控制的，它自身已經具備了這樣的功能。模倣生物的模式，做出符合生物定義的機器，這有點類似于類比的方法，這是一個非常好的想法。如今，自然界許多具有卓越才能的動物，都相繼成為我們模倣的對象。

　　如果你見過海豚，或是接觸過海豚，相信你一定不會忘記這個充滿人性的動物，姿態優美，而又和氣友善。它們是海洋中優秀的游泳健將。在海洋中至少遊了二千四百萬年，這使它們充分適應了海中的生活，輕易便能達到每小時20海裏的速度，相當於每小時36公里，這比人類最好的游泳選手還要快五倍。然而，海豚是海洋中耗能極少，卻能達到高速游動的動物，這讓人頗為費解。

　　採訪梁健宏（北京航空航天大學機器人研究所 博士）：在上個世紀30年代的時候，有一個叫格林的科學家，他研究海豚的游動，他發現海豚要遊到每小時20海裏這樣的速度的時候，它消耗的能量比它進去的東西要大七倍，這個問題就沒有辦法解釋，稱之為格林悖論，是關於海豚游動的一個難題。

　　後來，許多科學家都參與了海豚游泳這一項研究當中。科學家發現，海豚游泳時，阻力來源於皮膚和周圍水域之間的摩擦力，這個阻力隨時會發生變化，然而海豚的皮膚卻能夠順應這個阻力變化，從而抵消阻力，讓它遊得更快，更為省力。

　　採訪梁健宏：我們現在通過一些計算，我們研究魚的推進機理，這麼長時間，通過一個計算，發現海豚，它要遊到每小時36公里的速度，也就是每小時20節，它需要大約三千瓦的這樣一個功率，可以説，一個人舉重的時候，我們計算過，把一個100多公斤的杠鈴舉重起來，瞬間功率也不過就是一點幾千瓦，所以海豚要這麼長時間地進行巡遊，它可能要達到，長時間保持三千瓦，所以這還是一個未知數，它是否真的有這麼大的能量，還是到底有其他的一些原因。

　　通過觀察可以發現魚類游動時，它們自己的身體便是推進器，它靠魚尾左右擺動擊水，就可往前行走了。這個擺動非常重要，一左一右的擺動會在魚的尾部産生兩個渦流，在某一特定時刻這兩個渦流會共同作用向後産生一股射流，從而推動魚類前進。

　　採訪梁健宏：自然界在水流裏面，它可能現成就有一個渦，這個時候，魚尾巴只要拍出其中一個渦，再利用另外一個渦，就能把射流形成了，等於説，它就可能節約了一半（能量）。

　　經過千萬年的進化，海豚已經變得非常有經驗，它的身體能夠充分感受到來自海洋的現成能量並加以利用。

　　採訪梁健宏：海豚能夠長時間地巡遊，有可能是像鳥一樣，鳥飛的時候經常利用空氣中的上升氣流，等於海豚是利用了洋流裏面的，波浪裏面現成的漩渦的能量來補充它的能量，從而它總的推進效率，就是從整個大系統來講，它可能是超過1的，所以説它才能夠長時間高速的去做巡遊。

　　然而，海洋中渦流也並非隨時存在，海豚又是怎麼節約能量的呢？這是一個需要深度解釋的問題，也許還有些困難問題無法解釋，但是我們現在能夠明白的是，起至關重要的是海豚的尾鰭。因此，魚形機器人課題組所做的研究，便是要了解海豚尾鰭的運動方式，把尾鰭擺動産生推力的原理作為魚形機器人的推進原理，希望魚形機器人也能像海豚一樣游泳。經過三年多的努力，他們所做的魚形機器人已經取得了初步的成功。

　　通過研究海豚的游泳，創造出魚形機器人，這在一定程度上幫助我們實現了像海豚一樣用最少的能量在水中活動，但它做的事情應該會比海豚更多。

　　採訪梁健宏：這個就有一個很有趣的事。就是在伊拉克的戰爭中，美國人利用訓練的海豚去找魚雷，找水雷，美國人用訓練的海豚去找水雷，但是海豚畢竟有野性，它不一定就聽你的，完全聽你的，它甚至就逃跑了，可是這個機器魚，它是人工機器，它能夠非常嚴格地按照你的指定來辦事，所以我們這個機器人的話，在智慧上主要是安排了它自動的一些巡航和導航的程序，就是説，這個機器魚在程序控制之下，可以按照一個航線進行巡遊。

　　也許在不久的將來，裝上各種探測器，沒有螺旋槳推動的巨大噪音陪伴，會有一個智慧的魚形機器人悄無聲息地潛入到水下，以極少的能耗完成各種任務。考古、探測、搜救，一切都會輕鬆自如，而不用人為費力地去實時跟蹤命令。這就像海豚的跳躍特技一樣，它不用去考慮要擺動多少次尾鰭，使用多大的力來讓自己表演得更加出色。這就是大自然的靈感，也同樣是倣生機器人的智慧源泉。

　　通過向生物的學習，我們賦予機器人以智慧，創造出了更為靈巧的機器人，幫助我們完成許多人類難以完成甚至超越極限的工作。也許將來某一天，一個更像人類的機器人會普通得像電視一樣走進你我的家庭，幫助我們建造更加完美舒適的生活。然而，隨著科技的進步，我們創造的機器人將會越來越獨立，也許還會給我們帶來許多麻煩，但是，當一個更像人類的機器人向你我走來的時候，我們不會再感覺到陌生，與它握手的時候，相信你不會在想自己是在同一個冷冰冰的鋼鐵打交道。