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很多人一聽到“機(jī)器人”這三個(gè)字腦中就會(huì)浮現(xiàn)“外形酷炫”、“功能強(qiáng)大”、“高端”等這些詞，認(rèn)為機(jī)器人就和科幻電影里的“終結(jié)者”一樣高端炫酷。其實(shí)不然，在本文中，我們將探討機(jī)器人學(xué)的基本概念，并了解機(jī)器人是如何完成它們的任務(wù)的。
一、機(jī)器人的組成部分
從最基本的層面來看，人體包括五個(gè)主要組成部分：
- 身體結(jié)構(gòu)
- 肌肉系統(tǒng)，用來移動(dòng)身體結(jié)構(gòu)
- 感官系統(tǒng)，用來接收有關(guān)身體和周圍環(huán)境的信息
- 能量源，用來給肌肉和感官提供能量
- 大腦系統(tǒng)，用來處理感官信息和指揮肌肉運(yùn)動(dòng)
一個(gè)六軸工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)人類手臂的作用是將手移動(dòng)到不同的位置。類似地，機(jī)器臂的作用則是移動(dòng)末端執(zhí)行器。您可以在機(jī)器臂上安裝適用于特定應(yīng)用場(chǎng)景的各種末端執(zhí)行器。有一種常見的末端執(zhí)行器能抓握并移動(dòng)不同的物品，它是人手的簡(jiǎn)化版本。機(jī)器手往往有內(nèi)置的壓力傳感器，用來將機(jī)器人抓握某一特定物體時(shí)的力度告訴計(jì)算機(jī)。這使機(jī)器人手中的物體不致掉落或被擠破。其他末端執(zhí)行器還包括噴燈、鉆頭和噴漆器。工業(yè)機(jī)器人專門用來在受控環(huán)境下反復(fù)執(zhí)行完全相同的工作。例如，某部機(jī)器人可能會(huì)負(fù)責(zé)給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機(jī)器人如何做這項(xiàng)工作，程序員會(huì)用一只手持控制器來引導(dǎo)機(jī)器臂完成整套動(dòng)作。機(jī)器人將動(dòng)作序列準(zhǔn)確地存儲(chǔ)在內(nèi)存中，此后每當(dāng)裝配線上有新的罐子傳送過來時(shí)，它就會(huì)反復(fù)地做這套動(dòng)作。機(jī)器臂是制造汽車時(shí)使用的基本部件之一大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人在汽車裝配線上工作，負(fù)責(zé)組裝汽車。在進(jìn)行大量的此類工作時(shí)，機(jī)器人的效率比人類高得多，因?yàn)樗鼈兎浅＞_。無論它們已經(jīng)工作了多少小時(shí)，它們?nèi)阅茉谙嗤奈恢勉@孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機(jī)器人在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)中也發(fā)揮著十分重要的作用。它們無比精確的巧手可以將一塊極小的微型芯片組裝起來。機(jī)器臂的制造和編程難度相對(duì)較低，因?yàn)樗鼈冎辉谝粋€(gè)有限的區(qū)域內(nèi)工作。如果您要把機(jī)器人送到廣闊的外部世界，事情就變得有些復(fù)雜了。首要的難題是為機(jī)器人提供一個(gè)可行的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。如果機(jī)器人只需要在平地上移動(dòng)，輪子或軌道往往是最好的選擇。如果輪子和軌道足夠?qū)?，它們還適用于較為崎嶇的地形。但是機(jī)器人的設(shè)計(jì)者往往希望使用腿狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兊倪m應(yīng)性更強(qiáng)。制造有腿的機(jī)器人還有助于使研究人員了解自然運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，這在生物研究領(lǐng)域是有益的實(shí)踐。機(jī)器人的腿通常是在液壓或氣動(dòng)活塞的驅(qū)動(dòng)下前后移動(dòng)的。各個(gè)活塞連接在不同的腿部部件上，就像不同骨骼上附著的肌肉。若要使所有這些活塞都能以正確的方式協(xié)同工作，這無疑是一個(gè)難題。在嬰兒階段，人的大腦必須弄清哪些肌肉需要同時(shí)收縮才能使得在直立行走時(shí)不致摔倒。同理，機(jī)器人的設(shè)計(jì)師必須弄清與行走有關(guān)的正確活塞運(yùn)動(dòng)組合，并將這一信息編入機(jī)器人的計(jì)算機(jī)中。許多移動(dòng)型機(jī)器人都有一個(gè)內(nèi)置平衡系統(tǒng)（如一組陀螺儀），該系統(tǒng)會(huì)告訴計(jì)算機(jī)何時(shí)需要校正機(jī)器人的動(dòng)作。
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兩足行走的運(yùn)動(dòng)方式本身是不穩(wěn)定的，因此在機(jī)器人的制造中實(shí)現(xiàn)難度極大。為了設(shè)計(jì)出行走更穩(wěn)的機(jī)器人，設(shè)計(jì)師們常會(huì)將眼光投向動(dòng)物界，尤其是昆蟲。昆蟲有六條腿，它們往往具有超凡的平衡能力，對(duì)許多不同的地形都能適應(yīng)自如。
某些移動(dòng)型機(jī)器人是遠(yuǎn)程控制的，人類可以指揮它們?cè)谔囟ǖ臅r(shí)間從事特定的工作。遙控裝置可以使用連接線、無線電或紅外信號(hào)與機(jī)器人通信。遠(yuǎn)程機(jī)器人常被稱為傀儡機(jī)器人，它們?cè)谔剿鞒錆M危險(xiǎn)或人類無法進(jìn)入的環(huán)境（如深海或火山內(nèi)部）時(shí)非常有用。有些機(jī)器人只是部分受到遙控。例如，操作人員可能會(huì)指示機(jī)器人到達(dá)某個(gè)特定的地點(diǎn)，但不會(huì)為它指引路線，而是任由它找到自己的路。自動(dòng)機(jī)器人可以自主行動(dòng)，無需依賴于任何控制人員。其基本原理是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，使之能以某種方式對(duì)外界刺激做出反應(yīng)。極其簡(jiǎn)單的碰撞反應(yīng)機(jī)器人可以很好地詮釋這一原理。這種機(jī)器人有一個(gè)用來檢查障礙物的碰撞傳感器。當(dāng)您啟動(dòng)機(jī)器人后，它大體上是沿一條直線曲折行進(jìn)的。當(dāng)它碰到障礙物時(shí)，沖擊力會(huì)作用在它的碰撞傳感器上。每次發(fā)生碰撞時(shí)，機(jī)器人的程序會(huì)指示它后退，再向右轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)前進(jìn)。按照這種方法，機(jī)器人只要遇到障礙物就會(huì)改變它的方向。高級(jí)機(jī)器人會(huì)以更精巧的方式運(yùn)用這一原理。機(jī)器人專家們將開發(fā)新的程序和傳感系統(tǒng)，以便制造出智能程度更高、感知能力更強(qiáng)的機(jī)器人。如今的機(jī)器人可以在各種環(huán)境中大展身手。較為簡(jiǎn)單的移動(dòng)型機(jī)器人使用紅外或超聲波傳感器來感知障礙物。這些傳感器的工作方式類似于動(dòng)物的回聲定位系統(tǒng)：機(jī)器人發(fā)出一個(gè)聲音信號(hào)（或一束紅外光線），并檢測(cè)信號(hào)的反射情況。機(jī)器人會(huì)根據(jù)信號(hào)反射所用的時(shí)間計(jì)算出它與障礙物之間的距離。較高級(jí)的機(jī)器人利用立體視覺來觀察周圍的世界。兩個(gè)攝像頭可以為機(jī)器人提供深度感知，而圖像識(shí)別軟件則使機(jī)器人有能力確定物體的位置，并辨認(rèn)各種物體。機(jī)器人還可以使用麥克風(fēng)和氣味傳感器來分析周圍的環(huán)境。某些自動(dòng)機(jī)器人只能在它們熟悉的有限環(huán)境中工作。例如，割草機(jī)器人依靠埋在地下的界標(biāo)確定草場(chǎng)的范圍。而用來清潔辦公室的機(jī)器人則需要建筑物的地圖才能在不同的地點(diǎn)之間移動(dòng)。較高級(jí)的機(jī)器人可以分析和適應(yīng)不熟悉的環(huán)境，甚至能適應(yīng)地形崎嶇的地區(qū)。這些機(jī)器人可以將特定的地形模式與特定的動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。例如，一個(gè)漫游車機(jī)器人會(huì)利用它的視覺傳感器生成前方地面的地圖。如果地圖上顯示的是崎嶇不平的地形模式，機(jī)器人會(huì)知道它該走另一條道。這種系統(tǒng)對(duì)于在其他行星上工作的探索型機(jī)器人是非常有用的。有一套備選的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案采用了較為松散的結(jié)構(gòu)，引入了隨機(jī)化因素。當(dāng)這種機(jī)器人被卡住時(shí)，它會(huì)向各個(gè)方向移動(dòng)附肢，直到它的動(dòng)作產(chǎn)生效果為止。它通過力傳感器和傳動(dòng)裝置緊密協(xié)作完成任務(wù)，而不是由計(jì)算機(jī)通過程序指導(dǎo)一切。這和螞蟻嘗試?yán)@過障礙物時(shí)有相似之處：螞蟻在需要通過障礙物時(shí)似乎不會(huì)當(dāng)機(jī)立斷，而是不斷嘗試各種做法，直到繞過障礙物為止。三、家庭自制機(jī)器人在本文的最后幾部分，我們來看看機(jī)器人世界中最引人注目的領(lǐng)域：人工智能和研究型機(jī)器人。多年來，這些領(lǐng)域的專家們使機(jī)器人科學(xué)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但他們并不是機(jī)器人的唯一制造者。幾十年中，以此為愛好的人盡管為數(shù)很少，但充滿熱情，他們一直在全世界各地的車庫(kù)和地下室里制造機(jī)器人。家庭自制機(jī)器人是一種正在迅速發(fā)展的亞文化，在互聯(lián)網(wǎng)上具有相當(dāng)大的影響力。業(yè)余機(jī)器人愛好者利用各種商業(yè)機(jī)器人工具、郵購(gòu)的零件、玩具甚至老式錄像機(jī)組裝出他們自己的作品。和專業(yè)機(jī)器人一樣，家庭自制機(jī)器人的種類也是五花八門。一些到周末才能工作的機(jī)器人愛好者們制造出了非常精巧的行走機(jī)械，而另一些則為自己設(shè)計(jì)了家政機(jī)器人，還有一些愛好者熱衷于制造競(jìng)技類機(jī)器人。在競(jìng)技類機(jī)器人中，人們最熟悉的是遙控機(jī)器人戰(zhàn)士，就像您在《戰(zhàn)斗機(jī)器人》(BattleBots)節(jié)目中看到的那樣。這些機(jī)器算不上“真正的機(jī)器人”，因?yàn)樗鼈儧]有可重新編程的計(jì)算機(jī)大腦。它們只是加強(qiáng)型遙控汽車。比較高級(jí)的競(jìng)技類機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的。例如，足球機(jī)器人在進(jìn)行小型足球比賽時(shí)完全不需要人類輸入信息。標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人足球隊(duì)由幾個(gè)單獨(dú)的機(jī)器人組成，它們與一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。這臺(tái)機(jī)算機(jī)通過一部攝像機(jī)“觀察”整個(gè)球場(chǎng)，并根據(jù)顏色分辨足球、球門以及己方和對(duì)方的球員。計(jì)算機(jī)隨時(shí)都在處理此類信息，并決定如何指揮它的球隊(duì)。適應(yīng)性和通用性個(gè)人計(jì)算機(jī)革命以其卓越的適應(yīng)能力為標(biāo)志。標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和編程語言使計(jì)算機(jī)工程師和業(yè)余程序員們可以根據(jù)其特定目的制造計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)零件與工藝用品有幾分相似，它們的用途不計(jì)其數(shù)。迄今為止的大多數(shù)機(jī)器人更像是廚房用具。機(jī)器人專家們將它們制造出來以專門用于特定用途。但是它們對(duì)完全不同的應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)能力并不是很好。這種情況正在改變。一家名叫Evolution Robotics的公司開創(chuàng)了適應(yīng)型機(jī)器人軟硬件領(lǐng)域的先河。該公司希望憑借一款易用的“機(jī)器人開發(fā)人員工具包”開拓出自己的利基市場(chǎng)。這個(gè)工具包有一個(gè)開放式軟件平臺(tái)，專門提供各種常用的機(jī)器人功能。例如，機(jī)器人學(xué)家可以很容易地將跟蹤目標(biāo)、聽從語音指令和繞過障礙物的能力賦予它們的作品。從技術(shù)角度來看，這些功能并不具有革命性的意義，但不同尋常的是，它們集成在一個(gè)簡(jiǎn)單的軟件包中。這個(gè)工具包還附帶了一些常見的機(jī)器人硬件，它們可以很容易地與軟件相結(jié)合。標(biāo)準(zhǔn)工具包提供了一些紅外傳感器、馬達(dá)、一部麥克風(fēng)和一臺(tái)攝像機(jī)。機(jī)器人專家可以利用一套加強(qiáng)型安裝組件將所有這些部件組裝起來，這套組件包括一些鋁制身體部件和結(jié)實(shí)耐用的輪子。當(dāng)然，這個(gè)工具包不是讓您制造平庸的作品的。它的售價(jià)超過700美元，絕不是什么廉價(jià)的玩具。不過，它向新型機(jī)器人科學(xué)邁進(jìn)了一大步。在不遠(yuǎn)的將來，如果您要制造一個(gè)可以清潔房間或在您離開的時(shí)候照顧寵物的新型機(jī)器人，您可能只需編寫一段BASIC程序就能做到，這將為您省下一大筆錢。四、人工智能人工智能(AI)無疑是機(jī)器人學(xué)中最令人興奮的領(lǐng)域，無疑也是最有爭(zhēng)議的：所有人都認(rèn)為，機(jī)器人可以在裝配線上工作，但對(duì)于它是否可以具有智能則存在分歧。就像“機(jī)器人”這個(gè)術(shù)語本身一樣，您同樣很難對(duì)“人工智能”進(jìn)行定義。終極的人工智能是對(duì)人類思維過程的再現(xiàn)，即一部具有人類智能的人造機(jī)器。人工智能包括學(xué)習(xí)任何知識(shí)的能力、推理能力、語言能力和形成自己的觀點(diǎn)的能力。目前機(jī)器人專家還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)這種水平的人工智能，但他們已經(jīng)在有限的人工智能領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。如今，具有人工智能的機(jī)器已經(jīng)可以模仿某些特定的智能要素。計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了在有限領(lǐng)域內(nèi)解決問題的能力。用人工智能解決問題的執(zhí)行過程很復(fù)雜，但基本原理卻非常簡(jiǎn)單。首先，人工智能機(jī)器人或計(jì)算機(jī)會(huì)通過傳感器（或人工輸入的方式）來收集關(guān)于某個(gè)情景的事實(shí)。計(jì)算機(jī)將此信息與已存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，以確定它的含義。計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)收集來的信息計(jì)算各種可能的動(dòng)作，然后預(yù)測(cè)哪種動(dòng)作的效果最好。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)只能解決它的程序允許它解決的問題，它不具備一般意義上的分析能力。象棋計(jì)算機(jī)就是此類機(jī)器的一個(gè)范例。某些現(xiàn)代機(jī)器人還具備有限的學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)型機(jī)器人能夠識(shí)別某種動(dòng)作（如以某種方式移動(dòng)腿部）是否實(shí)現(xiàn)了所需的結(jié)果（如繞過障礙物）。機(jī)器人存儲(chǔ)此類信息，當(dāng)它下次遇到相同的情景時(shí)，會(huì)嘗試做出可以成功應(yīng)對(duì)的動(dòng)作。同樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)只能在非常有限的情景中做到這一點(diǎn)。它們無法像人類那樣收集所有類型的信息。一些機(jī)器人可以通過模仿人類的動(dòng)作進(jìn)行學(xué)習(xí)。在日本，機(jī)器人專家們向一部機(jī)器人演示舞蹈動(dòng)作，讓它學(xué)會(huì)了跳舞。有些機(jī)器人具有人際交流能力。Kismet是麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室制作的機(jī)器人，它能識(shí)別人類的肢體語言和說話的音調(diào)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。Kismet的作者們對(duì)成人和嬰兒之間的交互方式很感興趣，他們之間的交互僅憑語調(diào)和視覺信息就能完成。這種低層次的交互方式可以作為類人學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
Kismet和麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室制造的其他機(jī)器人采用了一種非常規(guī)的控制結(jié)構(gòu)。這些機(jī)器人并不是用一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)控制所有動(dòng)作，它們的低層次動(dòng)作由低層次計(jì)算機(jī)控制。項(xiàng)目主管羅德尼·布德克斯(Rodney Brooks)相信，這是一種更為準(zhǔn)確的人類智能模型。人類的大部分動(dòng)作是自動(dòng)做出的，而不是由最高層次的意識(shí)來決定做這些動(dòng)作。
人工智能的真正難題在于理解自然智能的工作原理。開發(fā)人工智能與制造人造心臟不同，科學(xué)家手中并沒有一個(gè)簡(jiǎn)單而具體的模型可供參考。我們知道，大腦中含有上百億個(gè)神經(jīng)元，我們的思考和學(xué)習(xí)是通過在不同的神經(jīng)元之間建立電子連接來完成的。但是我們并不知道這些連接如何實(shí)現(xiàn)高級(jí)的推理能力，甚至對(duì)低層次操作的實(shí)現(xiàn)原理也并不知情。大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)似乎復(fù)雜得不可理解。因此，人工智能在很大程度上還只是理論。科學(xué)家們針對(duì)人類學(xué)習(xí)和思考的原理提出假說，然后利用機(jī)器人來實(shí)驗(yàn)他們的想法。正如機(jī)器人的物理設(shè)計(jì)是了解動(dòng)物和人類解剖學(xué)的便利工具，對(duì)人工智能的研究也有助于理解自然智能的工作原理。對(duì)于某些機(jī)器人專家而言，這種見解是設(shè)計(jì)機(jī)器人的終極目標(biāo)。其他人則在幻想一個(gè)人類與智能機(jī)器共同生活的世界，在這個(gè)世界里，人類使用各種小型機(jī)器人來從事手工勞動(dòng)、健康護(hù)理和通信。許多機(jī)器人專家預(yù)言，機(jī)器人的進(jìn)化最終將使我們徹底成為半機(jī)器人，即與機(jī)器融合的人類。有理由相信，未來的人類會(huì)將他們的思想植入強(qiáng)健的機(jī)器人體內(nèi)，活上幾千年的時(shí)間！無論如何，機(jī)器人都會(huì)在我們未來的日常生活中扮演重要的角色。在未來的幾十年里，機(jī)器人將逐漸擴(kuò)展到工業(yè)和科學(xué)之外的領(lǐng)域，進(jìn)入日常生活，這與計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)80年代開始逐漸普及到家庭的過程類似。編輯：黃飛
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