機(jī)器人領(lǐng)域的變革和創(chuàng)新改變了工廠和倉庫,生活也悄然發(fā)生著變化

導(dǎo) 讀

多年以來，機(jī)器人領(lǐng)域的變革和創(chuàng)新改變了工廠和倉庫，它們在受控環(huán)境中表現(xiàn)良好，通常不會進(jìn)入大眾的視野。

哈佛大學(xué)的科學(xué)家們，正在推動機(jī)器進(jìn)入新的時代，這群研究人員新的目標(biāo)是普羅大眾，他們認(rèn)為科技所有的改變，意在為更多領(lǐng)域、更多普通人帶來變革性影響。

“科幻小說已經(jīng)描繪了50年，怎么這些機(jī)器人還沒出現(xiàn)在人們身邊？”工程和應(yīng)用科學(xué)教授RobertWood說。

你的想象中，現(xiàn)實(shí)世界的機(jī)器人，是否是這樣的場景？

你在網(wǎng)上購買的商品，會由無人機(jī)負(fù)責(zé)配送；你購買的汽車，會自動開到目的地；你不愿意干的家務(wù)，會有一個機(jī)器人幫你收拾打理；更多的場景里，機(jī)器人還能幫助搜救災(zāi)民和種植糧食。

所有這夢幻般的一切，已經(jīng)在悄悄上演。

下面這些你不曾想象過的機(jī)器人，都來自哈佛的研究團(tuán)隊。一篇很有想象力的文章分享給熱愛新事物的你們，Enjoy it。

原作：Alvin Powell唐旭 夏乙 編譯整理量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

下一代機(jī)器人將廣泛進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界，穿過森林和田野，到達(dá)城鎮(zhèn)和家庭。你在網(wǎng)上購買的商品，會由無人機(jī)負(fù)責(zé)配送；你購買的汽車，會自動開到目的地；你不愿意干的家務(wù)，會有一個機(jī)器人幫你收拾打理。

當(dāng)然不止這些。機(jī)器人還能幫助搜救災(zāi)民，幫助種植糧食，會在軍中服役，會在醫(yī)院至于你的心靈，成為你身體的一部分。

所有這夢幻般的一切，已經(jīng)在悄悄上演。

下面這些你不曾想象過的機(jī)器人，都來自哈佛的研究團(tuán)隊。

動力

哈佛大學(xué)最近在機(jī)器人方面的工作讓一項在歷史上沉寂多時的研究重?zé)ㄉ鷻C(jī)。George Whitesides教授稱，他在軟體機(jī)器人研究方面取得的突破，與哈佛大學(xué)在軟物質(zhì)物理學(xué)方面的力量，以及同事們在微流體上的研究密切相關(guān)。

一部分在軟體機(jī)器人方面的早期工作，是在上世紀(jì)90年代由日本科學(xué)家完成的。而最近，由Whitesides、Wood和Conor Walsh等人做出的創(chuàng)新推動力整體領(lǐng)域的進(jìn)步，使得機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)從設(shè)計和特性上對運(yùn)動進(jìn)行控制，而不是從齒輪和杠桿上。

“我們用材料的某些特性來代替控制裝置?！盬hitesides拿著一種海星形狀的橡膠夾手說，當(dāng)有空氣進(jìn)入手臂，夾手就會自動夾緊。“這些東西有一種從頂端卷曲的傾向——而這是可控的。原本，若是沒有硬體機(jī)器人身上的那些部件，要實(shí)現(xiàn)這種效果幾乎是不可能的?！?/p>

由此誕生的機(jī)器人甚至可以被一輛車碾過而在功能上毫發(fā)無傷。這也促成了在全新的制造技術(shù)方面的一些研究，比如威斯生物工程研究所教授Jennifer Lewis實(shí)驗室在3D打印方面的工作。類似的成果，還有同《國家地理》雜志合作的，能在水下收集脆弱珊瑚的抓取機(jī)器人；以及商業(yè)機(jī)器人公司Soft Robotics開發(fā)的，能在農(nóng)場、倉庫、裝配線等場景下抓取各種產(chǎn)品的靈活機(jī)器手。

“（將這些技術(shù)）轉(zhuǎn)向市場的過程很有趣?！盬hitesides說?！白畛醭尚偷膽?yīng)用針對的那些領(lǐng)域，我一開始并不知道還存在著問題。結(jié)果它們商業(yè)化的速度并我所參與過的所有項目都快?！?/p>

補(bǔ)充說一下這個氣動、完全不受限制的移動式軟體機(jī)器人。

這個機(jī)器人使用了由有機(jī)彈性體、聚芳酰胺織物和空心玻璃微珠組成的復(fù)合材料制造，配有一個微型空氣壓縮機(jī)、電池、閥門和控制器。

這種硅膠機(jī)器人不透水、有良好的酸堿穩(wěn)定性，抗沖擊/壓迫能力強(qiáng)，在積雪、積水、火燒、車碾等惡劣環(huán)境下，這個機(jī)器人都能一往無前、不可阻擋。

而且價格低廉，成本如下圖所示。

當(dāng)然這種機(jī)器人也不是完美的。例如對大孔洞敏感、容易被尖銳物體撕裂、控制精度和運(yùn)動能力不足、速度緩慢。想提速，只能搭配提及更大的空氣壓縮機(jī)。

更多細(xì)節(jié)，在這個頁面：

https://dash.harvard.edu/bitstream/handle/1/16920697/21340991.pdf

哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系執(zhí)行主任Sam Liss表示，在對于哈佛機(jī)器人研究進(jìn)展的評估方面，類似Soft Robotics這樣的公司提供了一種相對直接的標(biāo)準(zhǔn)。

“創(chuàng)業(yè)公司出現(xiàn)的速度非常驚人?！彼f，“在過去幾年內(nèi)，我們就已經(jīng)看到了Soft Robotics、 RightHand Robotics和Root Robotics等等——對于哈佛而言，這是非常重大的轉(zhuǎn)變。它不僅強(qiáng)調(diào)了科研的重要意義，還代表著我們的同事在將技術(shù)產(chǎn)品化的過程中所付出的努力?！?/p>

哈佛大學(xué)在機(jī)器人研究方面的發(fā)展，主要由保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和威斯生物工程研究所驅(qū)動。研究者稱，在機(jī)器人制造工具和設(shè)備領(lǐng)域更深層次的投入，對于教師、學(xué)生和研究院們都產(chǎn)生了重大影響。

“特別是對于我從事的工作來說，讓學(xué)生和博士后們能夠用上這些工具非常重要?！盬ood說，“工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和生物工程研究所在一些領(lǐng)域的投入上做得非常不錯。這么看其實(shí)我們什么都不缺?！?/p>

團(tuán)隊協(xié)作

哈佛有一個由不到十二位機(jī)器人專家組成的核心部門，部門內(nèi)部的科學(xué)家會定期合作，甚至彼此依賴各自的專長。研究的重點(diǎn)包括能在陸地、海洋和空中與人類緊密合作的機(jī)器人——通常是用于醫(yī)療。

“我們制造人們從未想象過的那種機(jī)器人?！庇嬎銠C(jī)科學(xué)教授Radhika Nagpal說，“像是會飛的小蜜蜂，甚至是你能穿在身上的機(jī)器人。從某種程度上說，我們創(chuàng)造的機(jī)器人是狂野的，它們更像是動物，而不是四輪汽車?！?/p>

其中一個例子是RoboBee，由Wood開發(fā)，Nagpal的軟件負(fù)責(zé)控制。這種蟲子般大小的、會飛的機(jī)器人在調(diào)查勘探方面有非常大的潛力：它能夠從自然災(zāi)害、作物病害甚至戰(zhàn)爭地區(qū)中收集圖像和數(shù)據(jù)，小到不包含任何機(jī)械杠桿、齒輪。設(shè)計制造這種機(jī)器人需要的專業(yè)技術(shù)已經(jīng)來到了機(jī)器人設(shè)計領(lǐng)域之外。

“對于RoboBee而言，沒有任何現(xiàn)成的部件?！盬ood說，“我們必須從頭開始：全新的制造方法、全新的動作、感知、計算架構(gòu)、全新的能源存儲；對于Radhika而言，則是控制行為的全新算法。我們工作的平臺都需要從頭搭建?！?/p>

Wood還表示，RoboBee身上的傳感器和執(zhí)行器可能會在某些生物醫(yī)學(xué)裝置和微創(chuàng)手術(shù)上起到作用，因為在這類工作中，尺寸是一個非常重要的因素。

“我們談?wù)摰氖菑腞oboBee上發(fā)展出的所有技術(shù)，將它們同軟體機(jī)器人結(jié)合來創(chuàng)造全新的工具，這些工具可以用于內(nèi)窺鏡檢查這類復(fù)雜、精細(xì)的工作?！?/p>

這里提到的RoboBee是哈佛團(tuán)隊研發(fā)的微型機(jī)器人。RoboBee不但能夠飛行、潛水、游泳，還能從水面彈射而起，并且安全在地面降落。

對于毫米級的機(jī)器人來說，能夠在空中和水中飛行有很多挑戰(zhàn)。比方水的密度比空氣大1000倍，因此兩種介質(zhì)中翅膀拍打的速度相差很大。最后的實(shí)驗結(jié)果是，空中飛行時翅膀拍打頻率220-300Hz、水中潛行時9-13Hz。

微型機(jī)器人的另外一個挑戰(zhàn)是，水的表面張力是RoboBee重量的十倍以上。怎么才能從水面躍出？為解決這個問題，首先是給RoboBee加裝四個浮力支腿，以及一個創(chuàng)造性的解決方案。

一旦RoboBee浮到水面，中央集氣室中的電解板就會把水轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w氫和氧，然后點(diǎn)火引燃把機(jī)器人推離水面。不過目前的技術(shù)，還無法做到RoboBee出水后立即恢復(fù)飛行，研究團(tuán)隊正在為此而努力。

更多細(xì)節(jié)，可以查看這個頁面：

https://www.seas.harvard.edu/news/2017/10/new-robobee-flies-dives-swims-and-explodes-out-of-water

工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副教授Walsh稱，醫(yī)療機(jī)器人的一大吸引力在于它們能夠?qū)τ谌藗兊纳a(chǎn)生積極影響。Walsh所在實(shí)驗室開發(fā)的軟體機(jī)器護(hù)甲可以幫助中風(fēng)病人更輕松地行走。在哈佛醫(yī)學(xué)院及附近的16家附屬醫(yī)院和研究機(jī)構(gòu)，機(jī)器人專業(yè)的老師處于非常重要的位置，他們要判斷機(jī)器人是否能滿足病人的需求，并與內(nèi)科醫(yī)生合作，制定運(yùn)動方面的解決方案。

比如，在美國國家衛(wèi)生研究院支持的一項工作中，Howe和哈佛大學(xué)附屬波士頓兒童醫(yī)院小兒心臟外科的生物工程學(xué)主任Pierre Dupont就在一像用于不停跳心臟手術(shù)的機(jī)器人技術(shù)上進(jìn)行了多年合作。他們目前正在研究用機(jī)器導(dǎo)管來補(bǔ)償心臟跳動動作的補(bǔ)充途徑，這項研究的成功將能夠用微創(chuàng)操作令病人避開心臟直視手術(shù)。

“這對于病人來說就好多了——更小的創(chuàng)傷、更低的風(fēng)險。”Dupont說，“我們在努力開發(fā)臨床醫(yī)生們做夢都想不到的技術(shù)。”

同時，Walsh的exosuit柔性外骨骼技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給了ReWalk機(jī)器人公司，這家公司計劃今年將它投入臨床試驗，邁出讓這種機(jī)器五年從概念走向市場的第一步。

Walsh說：“我發(fā)現(xiàn)我們所做的事情有各種真正改變?nèi)藗兩畹臋C(jī)會?！?/p>

他的工作在醫(yī)療上有著各種各樣的應(yīng)用，比如防止心臟衰竭，幫脊髓損傷患者增強(qiáng)手臂功能、提高中風(fēng)后的運(yùn)動能力等等。這些應(yīng)用，都離不開美國國防部先進(jìn)研究項目局（DARPA）的早期支持，他們本來的目標(biāo)，是要用外骨骼來減輕100磅行軍裝備給士兵的負(fù)擔(dān)。

軟性外骨骼將功能性服裝的特性，與精確布置的線纜和電機(jī)結(jié)合起來，有效地幫助穿著者移動。

“使用柔性系統(tǒng)能讓系統(tǒng)很輕，沒有限制性，在行走時對人類的生物力學(xué)影響最小，同時能在穿著者肌肉動作的基礎(chǔ)上做出提升?！盬alsh介紹說：“問題是，我們能對一個人的移動性產(chǎn)生積極影響嗎？”

目前，跑步機(jī)和數(shù)英里行軍測試的結(jié)果顯示，柔性外骨骼的影響大概有15%。另外，Walsh的團(tuán)隊在中風(fēng)病人身上的實(shí)驗表明，外骨骼能幫助使用者抬腳離地、運(yùn)動腳踝，減少肢體之間的功能性不對稱，提高行走效率。

這套外骨骼系統(tǒng)要繼續(xù)進(jìn)化，面臨的主要挑戰(zhàn)是盡可能降低重量，最大限度地提供幫助，以及讓外骨骼盡可能與自然運(yùn)動同步。

行為問題

和機(jī)器如何運(yùn)動同等重要的，是它怎樣思考，哈佛的科學(xué)家們也在認(rèn)真思考這個現(xiàn)實(shí)。工程和計算機(jī)科學(xué)助理教授、哈佛敏捷機(jī)器人實(shí)驗室（Harvard Agile Robotics Lab）主任Scott Kuindersma將他的目光投向了控制系統(tǒng)的完善，想由此讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全部潛力。

“我認(rèn)為，機(jī)器人在物理上的能力已經(jīng)夠用了，但它們想要實(shí)現(xiàn)動態(tài)極限的性能還很難，也缺少在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成任務(wù)所需的穩(wěn)健性。問題主要在于計算?！盞uindersma說

Kuindersma所在實(shí)驗室最新的成果是雙足行走機(jī)器人Cassie，它長得有點(diǎn)像鴕鳥，由Agility Robotics設(shè)計。Cassie是Kuindersma認(rèn)為該具備更好性能的硬件典型。

Cassie來自Agility Robotics，這個機(jī)器人堪稱脖子以下全是腿，以模仿人類步態(tài)的方式移動。

與早先的雙足機(jī)器人ATRIAS相比，Cassie可謂是全方位的升級，尺寸有了顯著的縮小。特別是在電池、腿部設(shè)計和計算能力方面，都有顯著改進(jìn)，這讓Cassie更加靈活。Agility Robotics為這個機(jī)器人自行設(shè)計了鋰電池組作為電源。

Cassie的臀部有三個自由度，跟人類一樣，所以這個機(jī)器人可以前后移動自己的腿、從一邊到另一邊、還能同時轉(zhuǎn)動。Cassie也配備了電動的腳踝，所以能夠站在原地不動，而不需像常見的雙足機(jī)器人一樣得不斷移動雙腳。

未來這種機(jī)器人，可以把技術(shù)共享給搜救、外骨骼等機(jī)器人領(lǐng)域，不過Agility Robotics想讓這種機(jī)器人主要去干快遞……

Kuindersma說：“[Cassie]用的控制軟件是他們公司開發(fā)的，我們會刪除替換它。我們的目標(biāo)是把Cassie用作實(shí)驗平臺，開發(fā)出推進(jìn)運(yùn)動性能超越目前頂尖水平的算法。對于我們來說，借助高速視覺傳感器反饋來規(guī)劃動態(tài)行走，演示戶外高速運(yùn)動會是一個重要里程碑?！?/p>

“想想山羊，”他說，“它們能爬上懸崖峭壁，在復(fù)雜的地形中迅速決定該把腳放在哪。我們想構(gòu)建一種算法，讓機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)這樣的能力?！?/p>

Kuindersma探索著如何更好地控制復(fù)雜個體行為，而Nagpal的研究剛好反過來：如何驅(qū)動簡單個體組成的群體，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為。

Nagpal說：“我的實(shí)驗室的主題一直是通過簡單實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。無論是哪一類智能體——螞蟻、人、機(jī)器人——個體所能做的事情總是有限的，我們通過組成團(tuán)隊來超越這個限制。已經(jīng)進(jìn)化到組團(tuán)工作的動物可以利用這些東西?！?/p>

從納米比亞白蟻合作堆土堆的行為中受到啟發(fā)，Nagpal發(fā)現(xiàn)了一種模式，社會化昆蟲能在沒有中央?yún)f(xié)調(diào)的情況下處理具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

“自然界中有一些不需要多少協(xié)調(diào)的例子，我們正在用這些方法，”Nagpal說，“這就為多個部分的合作提供了可能性。這些部分不用很復(fù)雜，它們之間的協(xié)調(diào)也不用很復(fù)雜，你還是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的目標(biāo)。”

小型kilobot就是Nagpal開發(fā)的一種機(jī)器，這種機(jī)器人依照簡單的原則來行動，例如鄰居的位置和行為。一群kilobot聚集起來，可以完成復(fù)雜的任務(wù)，比如說它們在某次展示中組成了海星形狀。

這些任務(wù)都不依賴復(fù)雜的計算機(jī)大腦，也沒有領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者系統(tǒng)，她的團(tuán)隊還在白蟻的啟發(fā)下開發(fā)了一種機(jī)器人，能協(xié)作搭建用戶指定的結(jié)構(gòu)。

Nagpal說：“我們可以制定規(guī)則，讓它們總是構(gòu)建正確的結(jié)構(gòu)，而用到的機(jī)器人是5個10個還是50個都沒關(guān)系，每個機(jī)器人不知道其他機(jī)器人在哪，它們的順序也無關(guān)緊要?！?/p>

她認(rèn)為，這些機(jī)器人與環(huán)境傳感器配合，在災(zāi)難響應(yīng)和勘探上都有著應(yīng)用潛力。遵循簡單的規(guī)則，機(jī)器人可以建起沙袋墻，她的實(shí)驗室還正在開發(fā)一種廉價的機(jī)器魚，將來可以用來探測海底，對于價格昂貴又每次只能探測一個地方的潛水器來說，可能會成為一種補(bǔ)充或替代。

kilobot的發(fā)展是技術(shù)快速進(jìn)步的結(jié)果，這種進(jìn)步不僅提升了前沿系統(tǒng)的復(fù)雜性，也大大降低了現(xiàn)成組件的價格。

“我本以為我永遠(yuǎn)不會有硬件可用，不過我這么想的原因是一個機(jī)器人就要花掉10萬美元?！盢agpal說，“[現(xiàn)在]我做一個新機(jī)器人只需要幾百刀，在我的實(shí)驗室里，這就是一種日常。我還有一千個機(jī)器人，每個只需要20刀。”

她將kilobot技術(shù)授權(quán)給了小型移動機(jī)器人制造商K-Team，現(xiàn)在，全球還有10個實(shí)驗室有kilobot，其中兩個擁有1000只機(jī)器人的集群。

“這真是太神奇了，人們可以用kilobot系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)想象，做各種各樣我根本想不到的事情?，F(xiàn)在，這是一個充滿活力的研究領(lǐng)域。”Nagpal 說。

Kilobot整套系統(tǒng)，其實(shí)是研究團(tuán)隊進(jìn)行的一次群體機(jī)器人算法測試。如果你想更多了解這方面的理論研究，可以看看下面這篇論文：

Kilobot: A Low Cost Scalable Robot System for Collective Behaviorshttp://www.eecs.harvard.edu/ssr/papers/icra12-rubenstein.pdf

但是這套成本低廉的系統(tǒng)，能力卻一點(diǎn)不差，包括差分驅(qū)動能力、機(jī)載計算能力、相鄰?fù)ㄓ嵑途嚯x感知能力、環(huán)境光感能力等等。

而且哈佛大學(xué)的團(tuán)隊，還對這套系統(tǒng)進(jìn)行了開源。

所以如果你對這套系統(tǒng)感興趣，可以使用任何平臺（Mac、Windows、Linux）進(jìn)行編程。至于硬件部分，你可以買也可以自己搭建。

主要部件：1、3.7伏電池 2、電源跳線 3、振動電機(jī) 4、三色LED 5、環(huán)境光傳感器 6、串行輸出接頭 7、直接編程接口 8、充電標(biāo)簽 9、紅外發(fā)射器 10、紅外接收器

kilobot機(jī)器人需要在光滑平坦的表面上運(yùn)作，現(xiàn)成的白板其實(shí)就挺好。