二、 研制開發(fā)機(jī)器人的新成果 (一)研發(fā)仿生機(jī)器人的新信息 1.開發(fā)模仿人類行為機(jī)器人的新進(jìn)展 研制能夠自動與身邊物體互動的嬰兒機(jī)器人。2006年5月，外國媒體 報道，一個由瑞士、法國和意大利科學(xué)家共同組成的研究小組，創(chuàng)造出一 個“嬰兒機(jī)器人”，它能夠自動與身邊的物體互動，并通過不斷實踐學(xué)習(xí)使用這些物品的最佳方法。這一能力，使得這個機(jī)器人具有與人類嬰兒一樣發(fā)展運(yùn)動技巧的能力。 “嬰兒機(jī)器人”的軀干上只有一個手臂，它用一對攝像機(jī)當(dāng)眼睛，并有一個能抓東西的手。它具有用桌子上的物體進(jìn)行物理實驗的內(nèi)在愿望，并能夠進(jìn)行不同形式的互動，同時不斷從錯誤中總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。例如，如果它沒能穩(wěn)穩(wěn)地抓住一個東西，它就會記住這個錯誤并在下一次嘗試不同的方式。目前，“嬰兒機(jī)器人”已經(jīng)學(xué)會掌握的一項能力，就是能將一只 瓶子在桌子上滾來滾去。???????????????????? 研究人員解釋說：“我們用從發(fā)展心理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家那里學(xué)到的 知識，來進(jìn)行這一研究。我們所做的與神經(jīng)科學(xué)家是相同的，只不過我們 是從工程的角度來做的。” “嬰兒機(jī)器人”的 “大腦”，實際上是一個由20臺計算機(jī)共同運(yùn)行不同神經(jīng)系統(tǒng)的電腦組。一個軟件能夠模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)，并用同樣的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，即通過建立和調(diào)整人造神經(jīng)元之間連接的力度進(jìn)行學(xué)習(xí)。研究人員通過對神經(jīng)系統(tǒng)軟件的調(diào)節(jié)，以及對機(jī)器人學(xué)習(xí)行為的觀察，能夠測試不同的神經(jīng)科學(xué)模式。 2.開發(fā)模仿動物機(jī)器人的新進(jìn)展 (1)研制傳感技術(shù)更加敏銳的“老鼠機(jī)器人”。2005年12月，國外媒 體報道，瑞士蘇黎世大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家米瑞姆·芬德領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，研 制成一種新型的“老鼠機(jī)器人”，它能通過胡須區(qū)分不同界面的質(zhì)地，為 傳感技術(shù)打開一扇新的大門，使得傳感技術(shù)更加敏銳，為未來制造出能夠 在無光線且極其狹窄的空間中自動運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器人提供了啟示。 芬德解釋說：“這就好像是當(dāng)你在一間黑暗的屋子里走動時，伸出雙 手四處摸索以避免撞上東西一樣�！� 芬德小組研制的機(jī)器人，直徑長8厘米，上面裝有兩排真正的老鼠胡 須，分別在機(jī)器人的兩邊。每根胡須尖上都粘著一個包著薄膜的麥克風(fēng)。 當(dāng)胡須從某個物體上掃過的時候，薄膜就會變形，從而傳出信號，該信號 經(jīng)放大后被記錄在電腦中。 在實驗中，老鼠機(jī)器人要在一個四面是墻的環(huán)境中摸索，感知周圍的 障礙物。當(dāng)它與某個表面接觸時就會停下來，用胡須掃過其表面，然后將 數(shù)據(jù)記錄在自己的電腦中。如果需要的話，它還能夠重新調(diào)整自己的位置 再進(jìn)行一次效果更好的“閱讀”。 不同的表面會產(chǎn)生不同的信號，引起不同的反應(yīng)。當(dāng)機(jī)器人接觸到一個光滑的表面，如金屬表面時，它就會在預(yù)置程序的指揮下稍稍退后，然 后再向前邁進(jìn)并重新觸摸一遍。而當(dāng)機(jī)器人遇到一個粗糙的表面，如砂紙 或是紙板表面，它就會以更快的速度后退。 實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)器人在每四次試驗中有三次的判斷都是正確的，并能夠按照設(shè)定的程序行動。目前，芬德正在與蘇黎世大學(xué)的一個學(xué)院合作，嘗試為胡須傳感設(shè)備加裝視覺反饋功能。美國西北大學(xué)副教授米特拉·哈特曼說，盡管在此之前，也曾有人研制出過能夠通過胡須避開障礙物、沿墻前進(jìn)并區(qū)分質(zhì)地的機(jī)器人，但芬德的機(jī)器人卻是首個能夠從任意角度和距離對不同的質(zhì)地進(jìn)行區(qū)分的。他還說，這就跟動物一樣，在結(jié)合了其他傳感形式之后，機(jī)器人身上的胡須用處會更大。例如視覺可以用來確定一個物體的大致位置，而胡須則能夠幫助其判斷該物體表面的細(xì)節(jié)特質(zhì)。 (2)研制像昆蟲一樣飛行的微型機(jī)器人。2006年4月，國外媒體報道，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院克利斯托夫?茹弗里博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出一個微型飛行機(jī)器人，重量只有10克，翼展為36厘米，能模仿昆蟲的飛行。他們還將進(jìn)一步縮小飛行機(jī)器人的體積，最終將使它成為僅有一只蒼蠅大小。 茹弗里表示，許多人從昆蟲身上獲得靈感，但是迄今為止還沒有研制出類似昆蟲那樣，能在封閉房間里飛行的機(jī)器人。的確，在房間里幾乎所有的東西，如墻壁、角落、天花板、家具等物體，都會成為微型飛機(jī)的障礙物。為了及時發(fā)現(xiàn)這些障礙物，飛行機(jī)器人必須擁有很強(qiáng)的計算能力和大量傳感器，但是這些組成部分都會增加其重量。通常，重一些的飛行機(jī)器人為了保持在空中，需要比輕一些的飛行機(jī)器人飛行得更快才行。當(dāng)然，同樣還會不可避免地遇到導(dǎo)航問題。 對昆蟲的研究表明，蒼蠅為了控制在空中的姿態(tài)，它會利用自己的復(fù)眼，同時通過雙翅目，即不發(fā)達(dá)的第二對翅膀，幫助它在飛行中頭朝下時不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。蒼蠅時常會沿直線飛行，發(fā)現(xiàn)障礙物時會一直飛到障礙物旁邊時，才突然改變90度并重新沿直線飛行。 研究小組把蒼蠅的這一飛行能力應(yīng)用到自己研制的微型飛行機(jī)器人上：它利用2臺低分辨率微型攝像機(jī)模仿蒼蠅的視力，2臺攝像機(jī)分別安裝在每個翅膀上。微芯片大小的陀螺儀起著雙翅目第二對翅膀的作用。 在實驗過程中，這種微型飛行機(jī)器人在一間長寬各為7米的房間里試飛，房間墻壁被涂成垂直的黑白條紋，結(jié)果它自動飛行了近5分鐘。在此基礎(chǔ)上，瑞士科學(xué)家抓緊研制更小的飛行機(jī)器人，它的尺寸可與蒼蠅相比擬，并能自動調(diào)整自己的飛行高度。?? (3)開發(fā)出用于“臥底”的蟑螂機(jī)器人。2007年11月，瑞士、法國和比利時組成的一個國際研究小組在美國 《科學(xué)》雜志上發(fā)表研究報告稱，在實驗中把幾個作為“臥底”的蟑螂機(jī)器人，混入真蟑螂隊伍中，通過程序控制以假亂真的蟑螂機(jī)器人，能明顯影響整個蟑螂群體的決策，使它們的行為變得怪異。研究人員希望通過蟑螂機(jī)器人，來研究像蟑螂這樣成群出沒的動物如何進(jìn)行“群體決策”。 蟑螂時常出沒在廚房和臥室，給人們帶來煩惱。它常躲在墻角旮旯里，出來后又爬行敏捷，難以消滅�，F(xiàn)在，人們不用愁了，科學(xué)家已著手在蟑螂隊伍中培養(yǎng)“臥底”�！芭P底”能夠影響和改變蟑螂的生活習(xí)性，引其出洞，以便剿殺。 法國的研究人員在分析研究蟑螂的行為后發(fā)現(xiàn)，蟑螂喜歡群體生活， 但沒有領(lǐng)袖，成員都很平等，而蟑螂常會跟隨同伴行動。因此，研究人員 認(rèn)為，如果能在蟑螂隊伍中培養(yǎng)“臥底”，就可能把蟑螂帶出黑暗的角落。 這些蟑螂機(jī)器人外形上并不太像真蟑螂，但體積很小，和真蟑螂的個頭差不多。研究人員給機(jī)器人外表敷了一個涂層。這種涂層是由不同化合物混合制成的，與真蟑螂身體表面的化學(xué)組成成分十分類似。因此，機(jī)器人會發(fā)出一種蟑螂氣味，讓真蟑螂確信這是自己的同類。 機(jī)器人放入真蟑螂群體后，很快就與真蟑螂“打成一片”。機(jī)器人開始參與到群體決策過程中，并顯示出“影響力”。比如，蟑螂喜歡黑暗、成群活動，它們的活動決策由兩個因素決定：那個地方有多黑、同伴們是否都去那兒。當(dāng)面對明暗不同的兩個藏身地點時，被研究人員編程的幾個蟑螂機(jī)器人，選擇了亮一些的去處。盡管行為稍顯異常，但機(jī)器人卻成了“帶頭大哥”，整個蟑螂群也跟著一起前往。 科研小組在報告中寫道，這說明機(jī)器人的確可以改變動物的群體習(xí) 性。他們希望這項實驗和其他動物機(jī)器人研究，能夠有助于理解動物行為 及群體決策過程等。 研究人員認(rèn)為，蟑螂機(jī)器人的成功研制及運(yùn)用，將使人類在控制動物方面取得突破性進(jìn)展。該項目負(fù)責(zé)人說：人類利用 “內(nèi)奸”控制動物，其實是非常古老的方法，獵人和漁民都是這方面的老手。不同的是，現(xiàn)在研究的是混入動物并與其溝通的機(jī)器動物。 不過，蟑螂似乎頭腦稍微簡單了些，對于和自己大小、氣味差不多的東西都能欣然接受。專家指出，研制蟑螂機(jī)器人只是第一步，科學(xué)家還將研制防止羊群集體跳崖、鼓勵雞做運(yùn)動的各種機(jī)器人�？茖W(xué)家們要想打入一群更高等的動物內(nèi)部，可能就得想辦法研制出更精密、更逼真的機(jī) 器人。 (4)研制出一條輕易混跡于魚群中的機(jī)器魚。如果一個機(jī)器人混于魚 群里，它如何跟魚進(jìn)行交流、彼此之間會有什么樣的反應(yīng)呢？2017年11 月，有關(guān)報道稱，為探索這個問題的答案，瑞士科學(xué)家組成的研究小組研 發(fā)了一條機(jī)器魚，它可以模擬斑馬魚混跡在魚群之中。設(shè)計機(jī)器魚之前，研究人員深入研究了斑馬魚的生理特征，比如形狀、顏色、紋理等。他們還研究了魚的行動，如加速度、線速度、魚的振動和動作及尾巴移動的規(guī)律。研究人員說，通過在動物身上尋找靈感，讓機(jī)器人與動物交流，既可了解生物，也可了解機(jī)器人。 研究人員把機(jī)器魚放進(jìn)水族館，讓它與5個不同的魚群交流。事實證明，機(jī)器魚模擬真魚是成功的，魚群輕易就讓機(jī)器魚加入它們，沒有什么問題。機(jī)器魚還可以引導(dǎo)魚群改變前進(jìn)的方向。據(jù)研究人員介紹，魚是相當(dāng)復(fù)雜的動物。如果機(jī)器動物想混進(jìn)昆蟲群落，機(jī)器只需要噴出費(fèi)洛蒙 (昆蟲分泌以刺激同種昆蟲的化合物質(zhì))就行了。如果想把機(jī)器動物放進(jìn)脊椎動物群，難度要大很多，無論是外觀、移動還是振動方式都存在不小難度。 (二)研發(fā)應(yīng)用型機(jī)器人的新信息 1.研制服務(wù)機(jī)器人的新進(jìn)展 計劃開發(fā)能記住人名的料理家務(wù)機(jī)器人。2013年1月，外國媒體報道，瑞士蘇黎世大學(xué)人工智能實驗室一個項目小組計劃用9個月時間創(chuàng)造出一個小男孩模樣的機(jī)器人，它的骨骼和肌肉組織與人類相似，能夠記住人名和幫忙料理家務(wù)。 據(jù)報道，該機(jī)器人的身高將約1.2米，由骨骼和覆蓋柔軟皮膚的人工肌腱組成，目前尚不確定該機(jī)器人的具體相貌。研究人員表示，它應(yīng)成為首個能夠協(xié)助老年人日常生活的機(jī)器人助手。該項目負(fù)責(zé)人認(rèn)為：“歐美人口老齡化趨勢促使我們思考，如何保障老人的自主生活，以及盡可能地幫助他們料理家務(wù)。我們認(rèn)為，建造機(jī)器人助手，或成為未來解決這一問 題的方案之一�！� 2.研制檢修機(jī)器人的新進(jìn)展 發(fā)明可檢查下水道等區(qū)域的四足機(jī)器人。2018年12月，國外媒體報 道，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院一個機(jī)器人研究小組研制出一款四足機(jī)器人，將其 取名為 ANYmal，這個名字在發(fā)音上酷似animal(動物)，其主要功用是代替工人對下水道進(jìn)行檢查。 幾乎所有的城市都有著龐大的地下基礎(chǔ)設(shè)施，這些設(shè)施通常只能由專業(yè)檢查員進(jìn)行檢查。這是一項危險而煩瑣的工作，對于工作人員來說，諸如下水道等地，不僅空間狹窄難以進(jìn)行檢查和維修等工作，而且黑暗潮濕的環(huán)境也加劇了工作的危險程度。如果能夠利用機(jī)器人對這些地方進(jìn)行檢 查，工作效率將大大提高。 這款機(jī)器人能夠進(jìn)入人類無法進(jìn)入的區(qū)域，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，它可以把圖片和數(shù)據(jù)等信息反饋給地面上的工作人員，工作人員可以做到點對點的精準(zhǔn)檢查。盡管下水道缺乏光線，但該機(jī)器人配備的傳感器，使其能以輕松的步伐穿過淺水道，同時對下水道區(qū)域進(jìn)行檢查。 除此之外，這款機(jī)器人還可做很多事情。它不僅可自主行走，還具有視覺、聽覺和觸覺等感官能力。例如，它能夠讀取機(jī)器上的氣壓顯示，識別聲音和識別物體，確定滅火器是否在正確的位置。機(jī)器人甚至可以自己 執(zhí)行某些手動任務(wù)。它配有一個額外的夾臂，可以打開門、處理垃圾或按 下電梯按鈕。它可以識別環(huán)境溫度并檢測空氣中是否存在異常氣體。 目前，這款機(jī)器人處于測試階段，研究人員也正在對它進(jìn)行改進(jìn)，希 望能盡早把它應(yīng)用到實際需要的領(lǐng)域。 (三)研發(fā)機(jī)器人的其他新信息 1.開發(fā)柔性機(jī)器人的新進(jìn)展 (1)研制能在體內(nèi)“游泳”的柔性微型機(jī)器人。2019年1月，由瑞士 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院布拉德利·內(nèi)爾松主持，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院塞爾曼·薩卡爾及英國劍橋大學(xué)同行參與的研究團(tuán)隊，在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表 研究報告稱，他們開發(fā)出一款柔性微型機(jī)器人。它像活體微生物一般，可在有液體的地方 “游泳”，未來有望通過血管把藥物送達(dá)體內(nèi)的病灶組織。 內(nèi)爾松說，自然界有許多隨環(huán)境變化而變形的微生物，他們由此受到啟發(fā)，開發(fā)了這款機(jī)器人。它由凝膠狀納米復(fù)合材料構(gòu)成，凝膠內(nèi)有磁性納米粒子，可被電磁場控制，也可以自行在體內(nèi)運(yùn)動，不需要傳感器或制動器即可變形。 據(jù)悉，這款機(jī)器人可在有黏性或快速流動的液體中移動，并不會引起 身體的排斥反應(yīng)。在通過狹窄的血管等曲折的系統(tǒng)時，它的速度、方向和 可控性都不受影響。薩卡爾介紹道，這款機(jī)器人長度約1毫米，借助其他 技術(shù)它還可以變得更小。他還說，這款機(jī)器人造價不高，目前研究團(tuán)隊正 在改善其在人體體液內(nèi)的運(yùn)動表現(xiàn)。 (2)著手開發(fā)可自我修復(fù)的柔性機(jī)器人。2019年8月9日，新華社報 道，瑞士與英國、比利時、法國、荷蘭等多國科學(xué)家組成的一個研究團(tuán)隊 正在合作研發(fā)一種新型柔性機(jī)器人，它無須人類幫助就可實現(xiàn)自我檢測和 臨時修復(fù)，從而繼續(xù)開展工作。 這一項目目前已獲得歐盟委員會的資助，預(yù)計耗資300萬歐元。研究 人員介紹說，自我修復(fù)材料未來可應(yīng)用于不同類型的機(jī)器人，包括模塊化 機(jī)器人、教育機(jī)器人及進(jìn)化型機(jī)器人等，都有很好的應(yīng)用前景。報道稱， 研究團(tuán)隊將利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來對這些材料建模和整合，開發(fā)出具有自我 修復(fù)能力的傳感器和驅(qū)動裝置，最終目標(biāo)是把它們與機(jī)器人平臺結(jié)合，以 便開展一些特定任務(wù)。 2. 實施機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新計劃 啟動信息共享的機(jī)器人地球計劃。2011年2月9日，英國廣播公司報 道，由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院馬克斯·魏貝爾等35名歐洲科學(xué)家組成的研究團(tuán) 隊啟動了機(jī)器人地球計劃，試圖讓機(jī)器人共享信息并存儲它們的發(fā)現(xiàn)。這 意味著機(jī)器人很快將擁有自己的互聯(lián)網(wǎng)和維基百科。屆時，當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行 任務(wù)時，它們能下載數(shù)據(jù)，并尋求其他機(jī)器人的幫助，更快地在新環(huán)境下 工作。執(zhí)行該計劃的研究人員希望，該研究能通過給機(jī)器人裝備人類創(chuàng)造 出來的、不斷豐富的知識庫，讓機(jī)器人更快地為人類服務(wù)。 魏貝爾表示，機(jī)器人地球的指導(dǎo)思想是研發(fā)出一種可行的方法，能夠幫助機(jī)器人編碼、交換信息，以及對知識進(jìn)行再利用等。他說，現(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人都用自己的方式來看待周圍的世界，幾乎沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；而大部分機(jī)器人學(xué)家也都讓機(jī)器人用自己研發(fā)的方式來積累數(shù)據(jù)。這就讓機(jī)器人學(xué)家很難共享知識或在某個領(lǐng)域取得重大突破，因為每個機(jī)器人學(xué)家都在解決同樣的問題。 與現(xiàn)有狀況不同，機(jī)器人地球項目希望能夠定義機(jī)器人積累的信息，以便讓所有機(jī)器人能發(fā)現(xiàn)并使用這些信息。魏貝爾介紹到，機(jī)器人地球既是一個通信系統(tǒng)，也是一個數(shù)據(jù)庫。在這個數(shù)據(jù)庫中，將會有機(jī)器人工作地點的地圖信息、機(jī)器人遇到物體的描述，以及如何完成不同的行為的指令。 研究人員表示，該項目為期4年�，F(xiàn)在，初期工作已取得一些階段性的成果，例如他們已研發(fā)出一種方式：讓機(jī)器人可以下載要完成的任務(wù)并執(zhí)行該任務(wù)；機(jī)器人也可以將修改后的位置地圖上傳到該數(shù)據(jù)庫中供其他機(jī)器人分享。魏貝爾說：“機(jī)器人對人類的重要性與日俱增，諸如機(jī)器人地球這樣的系統(tǒng)必不可少。”機(jī)器人地球也有望成為日益龐大的服務(wù)型和家居型機(jī)器人的助手，未來10年內(nèi)，服務(wù)型和家居型機(jī)器人可能會“飛入尋常百姓家”。