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| 我是机器，我像人 | ||||||||||
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| 随着机器人技术的不断发展和进步，现在已有150万机器人遍布在世界各地，从事清扫、勘探甚至星球探测的工作。但是，这些成就对从事机器人研究的科学家们来说，还只是万里长征的第一步，远远没有达到他们期待的水平。 科学家的真正期望是，让机器人在人类社会生活中自由自在地行动，学会在各种嘈杂和难以预料的环境下与人交流，而不只是像温室花朵般生存在实验室里。机器人必须能够自由行走、熟练操作和表达思想，一句话，它们需要更多地具备人性特征，更像人而不是机器。 科学家一直在研究这种更加像人的类人机器人。但是，研究中存在许多难题，其中最为困惑的是，要使机器人逼真地模仿人类触摸、行走和说话，所要求遵循的科学机理相当复杂，而且需要很好地控制。日本本田公司生产的类人机器人阿斯莫(图1)能上下楼梯、取咖啡和与人打招呼，但是它动作非常缓慢和沉重，给人笨拙的感觉，最主要的是，它能完成的所有任务都是事先输入程序安排好的，它并不能按自己的意愿行动。这种笨拙、预设好的行为能力开始让机器人的处境越来越尴尬，让人感觉不到特别的惊喜，机器人玩具就面临着这样的窘境。为此，索尼公司近日甚至宣布取消了机器人娱乐部的所有项目。 虽然机器人的娱乐功能逐渐消失，但作为人类助手的功能却越来越强大。机器人身份的改变归功于计算能力的巨大飞跃和控制软件、传感器和制动装置的突飞猛进，这些技术进步掩盖了机器人沉闷的外表，让它们获得了人类难以达到的特殊能力。随着行动、语言和灵巧动作等能力要素研究的不断深入，新一代机器人将彻底改变令人尴尬的面目。 研究人员综合利用行走、说话和动手能力这三大领域的研究成果，正在设计新一代类人机器人，一旦人工智能技术跟进，这些机器人除了具备打扫房间、洗碗、倒垃圾这些基本功外，还会与孩子们玩耍、照顾老人甚至到遥远的星球上去探索宇宙的奥秘，并能在危险时刻帮助搜救遇害人员。本文将从行走、说话和操作能力三方面，介绍目前世界类人机器人研究的惊人进展。 1学会和人类一样走路 无论是《星球大战》，还是《世界大战》，这些电影中最吸引观众的就是会走路的机器人。或许是这些机器人看起来更像活生生的人，或许是它们的两条腿更像人，不管怎样，对科学家而言，让机器人能够走路是一个相当大的难题。在为此绞尽脑汁达数十年之后，现在，机器人终于站起来走路跑步了。 事实就是事实，今天的成就首先要感谢玩具商们。 1938年，美国发明家约翰·威尔逊为一种玩具申请了专利，当这个玩具被放在微微倾斜的斜坡上时，能够用两个支点做腿蹒跚而行，为了让摇摆的脚能离开地面，玩具腿部的摇摆动作非常滑稽。这种取名为“散步者”(图2)的玩具上市后非常受欢迎，获得了巨大成功，现在的玩具店仍在出售它的衍生产品。它行走时既不需要用电池也不需要上发条，仅仅依靠重力就能让双腿行走。 我们人类行走时，通过弯曲膝盖来保证双脚离开地面，并不像“散步者”那样蹒跚走路。科学家对“散步者”的长期观察，引导他们产生了设计人类本领的机器人的想法，这是非常重要的一步。 近来的设计趋势是，让机器人的双腿装上更多的动力装置和更严格的控制器，指导关节处的活动，阿斯莫就是利用这种方法设计出的机器人。 这些机器人在工程学上取得了突破，但走起路来缓慢而步伐沉重，一点也不像人类行走。而“散步者”向科学家证明，人类的自然行走依靠的是重力对双腿支撑着的身体的作用，而不是对双腿运动进行精确的动力控制，简单说，走路是一种被动行为，不是主动行为。现在，越来越多的科学家认同“散步者”蕴含的行走原理，并朝着这个方向研究。 哈佛大学生物机械学专家托马斯是第一个在实验室研究“散步者”原理的。上世纪80年代早期，托马斯和他的一个学生提出了大胆假设：腿的行动方式就像钟摆一样，是依靠重力自由或弹道式摇摆的，直到身体的重量让脚接触地面。而且，托马斯意识到，这意味着，每走一步路都不应该消耗能量。英国行走专家亚历山大解释说：“这刚好能够解释，为什么人类在走路时腿部肌肉的活动量很少。” 受托马斯弹道行走观点的启发，机械工程师塔德推测，既然行走是依靠双腿的移动和重力作用而不是制动装置的影响，这种被动行走就应该能够模仿出人类从双脚离地到重新落地的完整的步态过程。他用理论推算证明，如果量出人类膝关节在腿上的精确位点，然后按照这个数值将机器人的膝关节放在下肢中间偏上一点的位置，机器人就完全可以像人类一样行走。1990年，塔德发表了一系列标志性的论文，证明无论有无膝盖，被动行走的机器都能非常平稳地走下山，而且步态与人类非常相似。 受到麻省工学院机器人专家马克的影响，康奈尔大学的安迪也开始了这方面的研究，并从此沉迷于被动行走机器人领域。2001年，安迪和他的学生用杆和铰链制作了一个简单的双足机器人，这个机器人能沿着斜坡进行短时间的漫步，虽然有时候会东倒西歪，精心设计的脚和手臂却能够维持整个机器的平衡。这个实物证明，托马斯的观点可以用在类人的机器人身上，而且利用这种原理改造类人机器人有两大优势，一是设计简单，二是能量消耗非常低。 经过了10年至15年的研究，直到今天，托马斯的观点才用在了真正的类人机器人身上。当被动行走在斜坡上的实验获得成功后，有科学家怀疑，被动行走的原理对于平地行走来说难以实现，但是去年，三个独立的研究小组证明，利用被动行走的原理，双腿机器人也能在平路上走路，且步态与人类非常相似，看起来很自然。 这些机器人大大简化了腿部设计和控制，更重要的是降低了能耗。前面谈到的阿斯莫就是利用主动行走原理设计的机器人，这种机器人身上安装有多个电动装置，以便不断地驱动26个不同关节的弯曲动作，需要40伏的电池才能提供足够的能量，但电池充电往往需要4小时，且充电后只能运行1个小时。 在平地上被动行走的机器人，只在每次脚碰到地面和身体向下运动反弹时需要消耗少许能量。仍然是受到人类自然行走过程的启发，科学家发现，人类通过在每一步起步时总是先提起脚的后半部分，这一动作为步行提供了动力。安迪领导的研究小组设计的双足机器人具有类似于人类的这种本领，在这个机器人的小腿处安装一个弹簧，通过一个小制动装置拉伸弹簧，当弹簧松开时机器人的踝关节就会弯曲，像人类一样开始行走。 在2005年的美国科学促进会年会上，安迪展示了他们的机器人。该机器人腿长1米，有一个简单的身躯和带有两只眼睛的板状脑袋(图3)。在平地行走时，它步态放松，与人非常相似，大大超过了传统双足机器人和科幻电影中原型机器人的笨拙步态，而且能耗与人类行走能耗相当，比阿斯莫的能耗少15倍。 在同一个年会上，还展出了康奈尔大学的两种新机器人。一个是荷兰代夫特工学院展出的名叫“丹尼斯”的机器人(图4)，它与众不同的是拥有膝盖，臀部装有空气压缩式制动装置。虽然比康奈尔大学的机器人消耗的能量更多，但由于其踝关节的设计借用了溜冰板的原理，走起路来更加稳定，当遇到不规则的路面时，康奈尔大学的机器人会失去平衡而摔倒，而丹尼斯能够调整自己的步伐维持平衡，当身体向右倾斜时，整个机器会绕着纵轴进行稍微的旋转，从而下一步稍微向右走走，这样就不会摔倒。 另一个机器人叫托德(图5)，是麻省工学院机器人专家若斯领导的研究小组设计的。在这三个机器人中，托德是最小和最轻的，只有2.8公斤重，站直了也只有43厘米高。它的机械原理更简单，消耗的能量也更低。但它“人”虽小志气却不小，它能通过感觉身体的倾斜和其他变化来学会走路，其主板上的电脑能调节发送到电动装置上的命令信号，使踝关节弯曲。它能适应几种不同的地形，比如地毯和瓷砖地板，自如地行走。 当然，也有科学家不同意被动行走是研发行走机器人的正确选择，他们认为，被动行走的机器人遇到障碍物时不知如何处理，这些机器就像没有发动机的汽车往山下滚一样；当地板不平或粗糙时，行走就更艰难。但是，连这些反对者也对被动行走很感兴趣，认为它能更好地认识人类，从而更好地将这些认识应用于人体假肢等外科手术中。 一些科学家认为，既省能量又能克服障碍的机器人，必须结合被动行走和动力控制两种原理的优点，并在实际操作中，机器人大部分关节还需要动力装置。 2用人类发音方式说话 WasedaTalker(简称WT)是东京大学设计的新型机器人，从名字可以看出，它会说话。或许你会奇怪，现在很多机器中都装有电子合成语音装置，它们会说话不足为奇。但是拥有先进录音技术的日本科学家，并没有使用合成技术让机器人说话，他们的机器人能在气流的作用下模仿人类说话。 现在，WT已发展到了第五代。 WT-5(图6)的发声原理是，在动力装置的驱动下，振动膜强迫空气从两个一模一样的塑料罐中向上通过人造声道，到达舌头，最后从嘴和鼻孔中穿出。与此同时，WT-5的嘴能随着嘴唇的张开、关闭、变宽和前伸等各种动作进行弯曲，发出5个日文的元音“a/i/u/e/o”，声音的音质处于人类发音和声音合成器的中间水平。该机器人还能唱出“da/di/du/de/do”，让人联想起小学老师在阅读课上朗诵的情景。 该机器人的设计者马萨科·洪达，是一位计算机科学家，同时对生物力学也非常感兴趣。他想通过制造能主动说话的机器人，更好地理解人类在说话时大脑所发生的变化，用来帮助那些语言障碍的人，也可以创造出帮助发音训练和语言学习的工具。 马萨科·洪达的真正目的还没有实现，但这台机器人已经引起了许多语音研究人员的极大兴趣，他们希望利用马萨科·洪达的技术，制造出会说话的狗或猴子当玩具卖。但WT-5不只是玩具，它代表了建立能够用更加自然的方式与人交流的机器人的一种趋势。 虽然机器人喋喋不休时有点令人讨厌，但它可以带来许多其他的应用。洪达认为，这项研究成果可用于生产新型手机，这种手机能储存通话者的声音，并将这些数据传到另一端的声音合成器上，从而减少通话所需的带宽。这项研究还能产生更好的控制人工声带的方法，以方便那些不能说话的人使用人工声带。更重要的是，研究人员可以通过这些研究，去发现人脑是如何控制各种发音器官活动的。虽然科学家已经知道当人们想要表达思想时，中枢神经会接受到信号，但却不清楚，大脑活动的各个步骤，即大脑中不同的电路是如何协调工作产生语言的，而只有用人工方式重建大脑线路和语音装置后，这些奥秘才会最终被人类识破。 要了解WT-5如何掌握说话的本领，需要先回顾一下人类的发音过程。 首先，我们的肺部将气流向气管上推并通过声带，当声带收紧时，气流引起声带的振动从而发出声音，这是浊辅音“d”“b”“v”如何发声的，而当我们发清辅音“t”“p”“f”或小声说话时，声带会放松，只要将气流从嘴里送出来即可。当然整个发音过程嘴唇和舌头等也在不断改变形状，以发出不同大小的声音。 WT-5完全通过一个机械系统来模仿人类语言产生的物理过程，这是以前的研究人员没有涉及的方法，洪达也通过这项研究产生了一套独一无二的理论。 1998年，洪达联合一些工程师、医生和声学专家组成一个研究小组，决定合作建立一种机械语音合成器。通过对人类发音器官进行核磁成像扫描，并以扫描出的图像作为参考，研究人员构建了一个会说话的脑袋，脑袋上装有人造声带、舌头、牙齿、嘴唇和鼻孔，这些不同的发音器官都能做出不同程度的活动。舌头是用柔软的合成橡胶做成的，因此柔软性和灵活性最好。将杆子、弹簧和电线与各个发音器官连接起来，通过电动装置和曲柄装置对这些杆子、弹簧和电线进行操控，使发音器官活动起来。研究小组对每一个发音器官进行调整，直到机器人能发出可识别的声音。但这种声音还是非常渥匀唬蚴腔魅说淖齑奖淇聿⑸舷乱贫保荒芡毕蚯吧煺埂６疑怯孟鸾喊遄龀傻模缍爸媚苋谜庑┥艋蚍潘桑虼朔⒊龅纳粢簿秃龈吆龅汀?BR> 这种设计现在还过于简单，不能与人类丰富的发音相比。但是多年来，研究人员一直在通过重新设计更加灵活的上颚、舌头和嘴唇，来改进机器人的发音器官。他们还引进了一种控制声带的新方法，将机器人内装上两台制动装置，更好地控制声带拉紧和放松的过程。这些设计使得该机器人发出的元音更加自然，并且能够将“s”和“m”的发音加入指令系统。2004年，WT已经能够发出日本语音中的全部50个音节了。 研究人员还设计了一套声音分析系统，能够让WT模仿人类说出几个单词。机器人通过模仿人们说话，就能不断学习新单词。声音分析系统将人们说的单词分解成不同的声学组合，像停顿、声量和音调特性等，通过分析机器人的发音方式与人类发声的不同，调整对嘴唇、舌头和声带的控制，从而使机器人的发音逐渐与人类的发音方式接近。 现在各国科学家在竞相研究能自己学习新单词的机器人，但这恐怕还需要10年的艰苦奋斗，才能达到目标。 3获得一双灵活的人类之手 穿着白色太空服，宇航员正在集中精力用带着手套的手抓紧杆子，并通过轻轻弯曲杆子将其牢牢地固定在一个大型铝制框架上，铝制框架可能会在未来的某一天，支持太阳能板为空间站或月球居住地供电。这个重要的工作要求精确细致的移动和很大的力气，但是宇航员出色地完成了任务。这个“宇航员”并不是人，而是机器人———“太空机器人”。 太空机器人是目前地球上手最巧的机器人(图7)，它的上半身看起来就是人，有头、身躯、两个多关节的手臂和被精确控制的五个手指的双手。它能够带着高压手套模仿宇航员的操作，未来它还会帮助完成太空飞行任务甚至独自在太空遨游，它还将被送进轨道帮助清理国际空间站，或者帮助人类在火星上建造第一个人类居住地。 去年春天，美国宇航局发起了一项人类—机器人技术项目的新计划，目的是开发出能用双手完成有益工作的智能机器人。机器人专家将其称为“自主移动操作”，它是当今最热门的研究领域之一。研究人员计划在20年内，设计出一个具有6岁儿童动手能力的机器人。 如果你想修理哈勃望远镜或帮助人类完成日常事物，自主移动操作的能力非常重要，也就是说，机器人能到人类因健康、成本或仅仅懒惰等原因无法去的地方完成一些使命。 但是长期以来，科学家对机器人灵活性方面的研究过于集中在航行和行走等方面，这样的结果是，机器人虽然能很好地四处行走，却不能有所作为。现在，由于传感器、制动装置和计算能力等方面的突飞猛进，情况已经得到大大改善。最近研究出的控制系统，能使机器人更准确地感受周围环境、增强制动技能并且更自然地与其他物体进行接触。 机器人难以获得灵活操作的技能的原因是，第一，灵活操作要求快速活动和准确反馈，以便机器人的大脑能够准确控制手指的位置和抓住物体的力度。传统的机器人移动很慢，而且每个关节随时被精确控制，适用于流水线作业，但不能满足机器人在现实生活中遭遇种种难以预料的情况下的生活。第二，不同的物体需要不同的抓举。当你端起茶杯、开动汽车和翻读书页时，手指的运动非常不同；而对于机器人来说，很难处理这些不同情况，要么将处理各种物体的情况编程输进机器人，要么机器人自己会根据所见所感，学会调整自己的抓举能力。 现在的机器人对周围世界已经敏感得多了。比如，太空机器人的手臂上装有150个传感器，这些传感器不仅能探测到关节的位置，还能感触到身体的力量、压力和紧张程度以及热流和其他变化，然后，主板上的计算机会分析传感器感受到的信号，并向电动装置发送命令。 举例说，当机器人的手触摸到一个物体时，它会感觉到这种接触并调整自己的手指，以适应所接触物体的形状。使用这种方法，太空机器人已经掌握了许多惊人的本领，它能用两个镊子夹起一个小螺钉；它能抓住扶手并系紧绳子和链条，像宇航员一样保护太空行走的安全线；它还能用手工工具开关舱门。 但是问题并没有真正得到解决。现在，太空机器人仍然需要用遥控器对其进行控制，以命令机器人完成遥控者的意图，并通过机器人获得图像等资料。大多数情况下，遥控器相当于机器人的眼睛和大脑，少数情况下人类只控制机器人手的活动，而让机器人独立完成其他活动。这种机器人对简单或重复性的活动适用，但太空作业中，往返月球的声频耽搁几秒钟，在火星上就已经过去了40多分钟了，遥控器不再适用，而自主行动的机器人才能更好地完成任务。 为了让机器人获得自主能力，关键是升级它们的“大脑”。美国宇航局联合4大高校，分别攻克控制太空机器人不同行为的软件，从而教会它使用工具、跟踪空间站的物体，识别现实环境中人们的声音和手势，所有这些都不再需要遥控器的指挥。其中，麻省工学院研究的“迪斯特”机器人(图8)最为成功。 迪斯特能够通过玩耍学会操作不同的物体。当研究人员将一个矩形砖和圆柱形罐子依次放在它前面的桌上时，它能够看见，并伸出三个手指的大手捡起砖再放回去，然后到罐子面前，伸出手调整自己，用合适的方式抓住罐子。迪斯特的头上装着摄像头，还有两个1米长的粗臂以及双手。虽然身体的大部分与传统机器人没有什么不同，但关键点在于，迪斯特拥有特别的硬件———拥有学习能力的“婴儿大脑”。 在设计的时候，迪斯特能够通过积累现实生活中的经验而不断学习进步。在每一步操作中，它能考虑如何移动自己的手并伸向物体，还会考虑抓的力度是否够大，它不再想“我能抓住这个东西吗”，而是在想“我怎样才能储存所掌握的知识并在今后应用”。 迪斯特通常会在看见一个新东西时先感受大小和形状，然后把它与以前操作过的物体进行比较，运用统计学推理，作出新的伸手和渚俚木龆ā５纤固啬芟袷刍踉币谎髦植煌巫吹乃芰掀孔敖酱铩Ａ硗猓纤固鼗鼓芾霉槟勺芙岬姆椒ㄑ按硇虑榭觯热纾谘Щ嵊盟肿プ∑还螅纤固鼗嵯氲接猛姆椒克劾醋プ〗洗蟮纳程睬颉?BR> 研究人员的最终目的是让机器人完成6岁儿童能做的任何事，迪斯特已经开始为人类实现这个梦想。现在，机器人还需要向6岁儿童学习的“十大功夫”包括：系鞋带、叠床被、清理桌上的盘子、翻书页、键盘上打字、用筷子、堆积木、给钢笔套笔套、用钥匙开锁、捡起地上的硬币。虽然很简单，这却是科学家未来的研究方向。 文章出处:科技日报 |
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