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聪明的机器人
央视国际 2004年10月14日 16:05
观众朋友，大家好，欢迎收看今天的走近科学。提起机器人，你可能会想起那个顶着方脑袋，行动笨拙又憨态可掬的机器人，它是科研人员模仿人模样所做的机器人，由于外形像人，它被叫做人形机器人。现在我手里拿着一样东西，你可能会觉着它毫不起眼，那我要告诉你，这也是一个机器人，它的样子有点古怪，现在我们可以给它接上电源，看看是个什么样子。
可能你已经看出来了，有点像蛇一样在运动，科研人员把它叫做蛇形机器人。这是一种模仿蛇所设计的仿生机器人，虽然它的外形与人形机器人千差万别，但都是为了完成不同的任务所设计的，同样都属于机器人。那么，你可能要问了，到底什么是机器人，它们究竟能干什么，仿生机器人仅仅是模仿生物的外形么？
它们是人类害怕的机器人，像人，具有强大而致命的力量，是一心一意想取代人类的魔鬼终结者。而另外一些机器人，它们善于沟通，聪明能干。然而，这只是电影，现实中的机器人该是怎样的呢？
采访王跃超（中国科学院沈阳自动化研究所所长 研究员）：实际上机器人这个术语，这个名词，最早是艺术家提出来的，那么现在在这个学科领域里，我们现在公认大概是在1921年一个捷克的剧作家，写了一个歌剧，叫《罗萨姆的万能机器人》，里面主要的内容是讲要发明一种机器人，它能听人的话，为人来工作。
这位捷克作家写到，机器人整天以呆板的方式从事繁重而又不公正的劳动，有点像奴隶。在捷克语里奴隶写作“Robota”，但是作者创意地把它少写了一个字母，后来“Robot”一词就成了机器人的意思。
采访王跃超：艺术家笔下产生的机器人的这个概念，来自于艺术家想象。但是真正机器人实际上作为一个技术产物产生是上个世纪50年代，随着第一次世界大战，自动化技术、还有一些数控机床的一些发展，实际上就产了机器人技术。
简单来说，机器人就是一部机器，但具有自主行为能力，能够完成一定的工作。它们的外形、大小和功能都各不相同。自从它们出现以后，它们便被委派完成许多肮脏、枯燥和危险的工作。
采访王跃超：最早机器人是怎么产生的呢？首先是在美国的阿尔贡国家实验室，它在研究处理，怎样处理核废料，核废料有辐射性，有放射性，人去处理是很危险的，所以这时就提出用遥控的办法，遥控的办法，就想人在一边操作一个机器人，另一边它就可以去操纵有害的放射性物质，那么这两个之间离得比较远，这个可能是最初的技术需求在这里。
这个机器人看起来很不起眼，但对于清理核废料这样的事，人类的确无法与它想比。让机器人来完成这样的工作，显然是个好的想法。
时间进入到20世纪60年代，随着汽车制造业的发展，汽车装配线上需要更多的人来承担焊接、组装等工作，这对人类来说是一些重复执行的复杂工作，但机器人却能干得很轻松。这给机器人带来了出头露面的机会，搭上汽车工业这辆顺风车，机器人也就此慢慢地打入到了工业界，被我们称为工业机器人。
采访王跃超：但是这个机器人应该说仅仅相当于人的一个胳膊，所以我们常常说这种工业机器人叫做机器人手臂，它完成的这样一个动作，比如焊接，搬运，大概相当于人的一个胳膊就行了，所以叫机器人的话，从原先是说，人这样一个形状，最后到真正实用的仅仅是人的一部分功能，所以叫机器人也不足为奇。
机器人必须是一种具有感知、决策和行为能力的机械电子装置，而自动化装置不满足这些特点，所以不能称为机器人。现在我手里拿着的东西，也是一个机器人。是科研人员做的一个小型地面机器人的试验模型，虽然它的外形像一个简单的小车，但是它具备机器人的几个条件。举例说，在遇到不同的障碍物时，它的控制系统能够感知到，并且能够自主做出决策，采取哪种方式跨越过去，有点类似于人或生物的智能能力。
究竟应该怎样才算是机器人？也许你还心存疑惑，然而，当你了解了它的历史以后，也许你不会再有这种疑惑了。从技术发展来看，机器人可以分为三代。第一代是示教再现型机器人，机器人有部分电脑化控制能力，但最后的决策仍然是人类。第二代是感觉机器人，人类指派任务以后，机器人有足够的智慧完成工作，不必实时指导。第三代是智能机器人，机器人几乎不必由人类控制，然而，一旦机器人有了意识之后，这未必是件好事情。
1997年，世界象棋大师卡斯帕罗夫与IBM公司的电脑“深蓝”进行了一场比赛。最终，机器人战胜了象棋大师，这让人类遭受了一次前所未有的打击。但是，稍做分析我们便会发现，深蓝只不过是一个能做出明智选择的电脑，并不具有人工智能，它也不可能战胜所有的人，只是胜过人类的一些单一功能而已。它们具有智慧，但它们没有人类的意识。
因此，我们不用担心会有科幻电影中的有意识机器人的出现。我们需要为机器人创造某种大脑，让机器来胜任人类所想象的一切工作，但并不需要一个与人类一样的大脑。不仅因为模仿人脑的天大困难，而更多可能会带来一连串社会问题，也许这离我们还很遥远。
虽然我们想让机器人离开它们的基座走入我们的生活，但这比科幻电影里描述的要困难得多。即使与许多动物相比，现有机器人的能力仍不可及。机器人专家发现，要做一个类人机器人的确非常之困难，但如果模拟简单一些的动物，做一些简单的机器人，也许有时更为实用，而这也会更有助于研究类人机器人。
采访王跃超：生物经过几十亿年的进化，它的结构已经趋于完美，我们如果能够认识它的里头的一些运动的规律，那么我们可能做出来的人造物，效率可能会更高。所以我们要不断从生物体当中的一些研究和认识当中汲取创新的源泉，这就是说现在为什么要把仿生学和机器人学相结合。
蛇，是无肢动物中最庞大的一类，在地球上约有2500多种，恐怕也是地球上令人类可怕和厌恶的生物之一。它们求生能力强，是天生的狩猎好手，而有时它也会潜藏在某些阴暗角落，等待时机，追捕猎物。它们身体细长，行走时没有腿的限制，地上、水中、树上，它们都能灵活自如地运动。
采访李斌（中国科学院沈阳自动化研究所 研究员）：（蛇）在一些较平的路上，它就会采取蜿蜒运动的方式进行，假如它在狭窄空间，它就会采取伸缩运动的方式，当它在沙漠地带，会采取侧向运动，它之所以能够采取这些运动，与它身体上，皮肤上的传感器是分不开的。这些传感器能够帮助它，能够识别这种地面的特性，因而，它在识别地面特性以后，它就会采取与这个地面相适应的一些步伐来运动。
侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减少与高温沙漠接触，沙漠蛇多半采用这种运动形式。
在狭窄的空间内，蛇无法摆动，只能采用直线和伸缩的方式向前运动。
大多时候，蛇采用蜿蜒运动的方式前进，这是它效率最高的运动方式。
许多外星球的表面环境凹凸不平，而这正好适合细长柔软的蛇类活动，这让科学家研究外星探测机器人找到了一个很好的蓝本。
采访李斌：大概是在2000年10月份，美国宇航局，也就是NASA，它公布了一条消息，说它们正在研制一种蛇形机器人，而且这种蛇形机器人能够适应外星球，比如月球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工作，而且预计在5年以后能够投入到使用。所以当时呢，我们国家现在月球探测工程首席科学家欧阳自远院士说，能不能我们在这方面做一些先期的研究工作，所以基于这个，我们就开始了蛇形机器人的研究工作。
在中科院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室，李斌课题组正在研究这种模仿蛇的机器人，是一种仿蛇的蛇行机器人。
采访李斌：蛇形机器人，应该说是一种典型的无肢运动的机构，它和传统的机器人的机构是不一样的，比如说传统机器人的机构都是以轮子、腿或履带为行走工具的，或者是轮、腿、履带复合这种机构，而蛇形机器人是靠身体与地面的这种摩擦作用来进行移动的，这与轮、腿、履带这种机理和方式都是不一样的。
蛇是以腹部贴着地面行动的，那么，它游动的力量来自哪里呢？其实，这个秘密在就于它腹部的鳞片。蛇运动时的力量来源便是鳞片和地面之间形成的摩擦力。
采访李斌：蛇就是依靠身体与地面的相互作用产生向前的力来实现（运动）的，这种作用是通过它的鳞片与地面来发生作用的，它的鳞片有一种特殊的（结构），当它横向运动时，摩擦阻力会很大，当它在它前进方向的时候，这个鳞片使得它在前进方向上的摩擦力很小。这样，当它的身体形成一定的曲线的时候，它就可向前运动了。
而蛇形机器人的鳞片便是安在底部的被称为被动轮的小轮子。当蜿蜒运动时，轮子的侧向移动会增大横向摩擦力，而前进时，轮子又会减小前进方向上的摩擦力，从而使蛇形机器人能够像蛇一样蜿蜒前进。然而，当它一不小心冲撞到真的蛇时，真蛇受到刺激会进行攻击，但蛇形机器人不会理会这些，因为它还受人的控制。而这让它能够帮助我们做更有意义的工作。
采访李斌：今天咱们做一个探察实验，现在在这个箱子里面，一边写上字了，一边上头有个手机，现在在外面什么都看不着。今天想用这个蛇形机器从这个洞里钻进去，能够把这些字和手机发现，我们就想做这个实验。行，各部分先准备好，看看把蛇摆好位置，这边的监控台准备好，对，检查检查都有没有问题。
好，都准备好，我们就开始试验。
这实际是蛇形机器人应用的一个小实验，因为它柔软细长，所以蛇形机器人可以被用来探查一些其他方法不能到达的狭小和危险的环境。
当然，蛇形机器人也可不用人为控制，只要给它行走的命令，它也会自主行动，但是目前它还没有足够的智能来识别周围的环境。而一个很好的想法将有助于改变这个事实，就是使蛇形机器人通过各种地面“经历”记住如何在不同表面的土地上前进，将来只需要一个行动命令，蛇形机器人便能够自主采用合适的行为方式，去完成交给的任务。
蛇遇到障碍物，便会主动绕开，现在，蛇形机器人也做到了，这不是由人来控制的，它自身已经具备了这样的功能。模仿生物的模式，做出符合生物定义的机器，这有点类似于类比的方法，这是一个非常好的想法。如今，自然界许多具有卓越才能的动物，都相继成为我们模仿的对象。
如果你见过海豚，或是接触过海豚，相信你一定不会忘记这个充满人性的动物，姿态优美，而又和气友善。它们是海洋中优秀的游泳健将。在海洋中至少游了二千四百万年，这使它们充分适应了海中的生活，轻易便能达到每小时20海里的速度，相当于每小时36公里，这比人类最好的游泳选手还要快五倍。然而，海豚是海洋中耗能极少，却能达到高速游动的动物，这让人颇为费解。
采访梁健宏（北京航空航天大学机器人研究所 博士）：在上个世纪30年代的时候，有一个叫格林的科学家，他研究海豚的游动，他发现海豚要游到每小时20海里这样的速度的时候，它消耗的能量比它进去的东西要大七倍，这个问题就没有办法解释，称之为格林悖论，是关于海豚游动的一个难题。
后来，许多科学家都参与了海豚游泳这一项研究当中。科学家发现，海豚游泳时，阻力来源于皮肤和周围水域之间的摩擦力，这个阻力随时会发生变化，然而海豚的皮肤却能够顺应这个阻力变化，从而抵消阻力，让它游得更快，更为省力。
采访梁健宏：我们现在通过一些计算，我们研究鱼的推进机理，这么长时间，通过一个计算，发现海豚，它要游到每小时36公里的速度，也就是每小时20节，它需要大约三千瓦的这样一个功率，可以说，一个人举重的时候，我们计算过，把一个100多公斤的杠铃举重起来，瞬间功率也不过就是一点几千瓦，所以海豚要这么长时间地进行巡游，它可能要达到，长时间保持三千瓦，所以这还是一个未知数，它是否真的有这么大的能量，还是到底有其他的一些原因。
通过观察可以发现鱼类游动时，它们自己的身体便是推进器，它靠鱼尾左右摆动击水，就可往前行走了。这个摆动非常重要，一左一右的摆动会在鱼的尾部产生两个涡流，在某一特定时刻这两个涡流会共同作用向后产生一股射流，从而推动鱼类前进。
采访梁健宏：自然界在水流里面，它可能现成就有一个涡，这个时候，鱼尾巴只要拍出其中一个涡，再利用另外一个涡，就能把射流形成了，等于说，它就可能节约了一半（能量）。
经过千万年的进化，海豚已经变得非常有经验，它的身体能够充分感受到来自海洋的现成能量并加以利用。
采访梁健宏：海豚能够长时间地巡游，有可能是像鸟一样，鸟飞的时候经常利用空气中的上升气流，等于海豚是利用了洋流里面的，波浪里面现成的漩涡的能量来补充它的能量，从而它总的推进效率，就是从整个大系统来讲，它可能是超过1的，所以说它才能够长时间高速的去做巡游。
然而，海洋中涡流也并非随时存在，海豚又是怎么节约能量的呢？这是一个需要深度解释的问题，也许还有些困难问题无法解释，但是我们现在能够明白的是，起至关重要的是海豚的尾鳍。因此，鱼形机器人课题组所做的研究，便是要了解海豚尾鳍的运动方式，把尾鳍摆动产生推力的原理作为鱼形机器人的推进原理，希望鱼形机器人也能像海豚一样游泳。经过三年多的努力，他们所做的鱼形机器人已经取得了初步的成功。
通过研究海豚的游泳，创造出鱼形机器人，这在一定程度上帮助我们实现了像海豚一样用最少的能量在水中活动，但它做的事情应该会比海豚更多。
采访梁健宏：这个就有一个很有趣的事。就是在伊拉克的战争中，美国人利用训练的海豚去找鱼雷，找水雷，美国人用训练的海豚去找水雷，但是海豚毕竟有野性，它不一定就听你的，完全听你的，它甚至就逃跑了，可是这个机器鱼，它是人工机器，它能够非常严格地按照你的指定来办事，所以我们这个机器人的话，在智能上主要是安排了它自动的一些巡航和导航的程序，就是说，这个机器鱼在程序控制之下，可以按照一个航线进行巡游。
也许在不久的将来，装上各种探测器，没有螺旋桨推动的巨大噪音陪伴，会有一个智能的鱼形机器人悄无声息地潜入到水下，以极少的能耗完成各种任务。考古、探测、搜救，一切都会轻松自如，而不用人为费力地去实时跟踪命令。这就像海豚的跳跃特技一样，它不用去考虑要摆动多少次尾鳍，使用多大的力来让自己表演得更加出色。这就是大自然的灵感，也同样是仿生机器人的智慧源泉。
通过向生物的学习，我们赋予机器人以智慧，创造出了更为灵巧的机器人，帮助我们完成许多人类难以完成甚至超越极限的工作。也许将来某一天，一个更像人类的机器人会普通得像电视一样走进你我的家庭，帮助我们建造更加完美舒适的生活。然而，随着科技的进步，我们创造的机器人将会越来越独立，也许还会给我们带来许多麻烦，但是，当一个更像人类的机器人向你我走来的时候，我们不会再感觉到陌生，与它握手的时候，相信你不会在想自己是在同一个冷冰冰的钢铁打交道。
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