中国机器人教育

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解读智能机器人的前世今生

收藏本信息编号:369 发布时间:2012-03-24 截止日期: 地区:

崇拜与畏惧、好奇与向往交织构成的复杂感觉组成了我对机器人的印象。

对机器人的初始印象来自于影视作品:一部东瀛出产的动画系列片《铁臂阿童木》,无所不能的阿童木让儿时的我对钢筋铁骨、与真人外形毫无差异的机器人主人公崇拜得达到了无以复加的地步;少年时期,一部来自北美的电影《未来世界》,又让我对片中冷酷无情、随时准备替代人类的机器人充满了恐惧;而在《第五元素》中,以拯救世界面目出现的机器人又让我心向往之。

而事实上,不只是我,这种情绪可以说折射出了人类对于机器人的整体感觉,这种感觉伴随着机器人走过了近半个世纪以来的发展之路。

核心是人工智能

从基本定义来看,智能机器人是具有感知、思维和行动的机器,它可以获取、处理和识别多种信息,自主地完成较为复杂的操作任务。智能机器人作为新一代生产和服务工具,在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的地位。一些“激进”的科学家们认为,在不远的将来,智能机器人将同计算机和网络一样,成为人们工作生活中不可缺少的重要组成部分,工厂有机器人,家庭、医院、商店、学校都将有机器人,机器人无处不在,这不仅会革命性地改变着人们生活方式,而且许多传统的行业也会因它而重新进行定位。

当代科学技术发展的特点之一,就是机械技术和电子技术、信息技术的有机结合,智能机器人就是这种结合的产物之一。现代机器人都是由机械发展而来,它们首先是一种机器。与传统机器的区别在于,智能机器人有计算机控制系统,因而具有一定的“智力水平”,人类可以籍此编制相应的动作程序,使它们完成各种不同的活动。

智能机器人的核心,就是它拥有程度不同的人工智能。实际上,人工智能发展的过程也是机器不断在某些领域取代人的过程。历史上,最早是用机械手臂代替人进行体力劳作,进而逐渐过渡到用机器来进行思考,这就是人工智能的由来。什么是人工智能?可能读完一篇洋洋万言的论文,我们仍旧会是一头雾水,而计算机科学领域的泰斗图灵先生则是用短短几句话勾勒出人工智能的大致轮廓:如果隔着一个屏障与机器对话,而你无法通过对话辨别与你进行交流的到底是机器还是人,那么这台机器就可以被认定具备了人工智能。

智能机器人有感觉、会思考、能行动,并且能够与人进行沟通。尽管现在还没有完全具备这种能力的机器人,但是它的出现已经被认为是不可逆转,并且不再遥远了。由于可以获取、处理和识别多种信息,能够完成较为复杂的操作任务,因此智能机器人比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。

机器人能超越人类吗

由于一些与机器人有关的影视剧的流行,人们自然而然开始担心这样的问题:机器人到底能否拥有和人类一样的独立思考能力?如果它们有了自主的智能的话,是不是也可能会拥有“人权”,从而脱离人类的辖制?如何才能让机器人为人类“死心塌地”地服务,而不会出现人工智能的反叛?

对此,美国著名科学作家阿西莫夫早在几十年前就提出了“机器人三大定律” :第一定律,机器人不得伤害人,也不得在人受到伤害时袖手旁观;第二定律,机器人应服从人的一切命令,但不得违反第一定律;第三定律,机器人应保护自身安全,但不得违反第一定律和第二定律。虽然在很长一段时间里它只是被观众和读者们看作是影视剧或是图书中吸引眼球的“噱头”,然而近年来“机器人三大定律”已经被一些机器人研究机构当作是人与机器关系的基石。

也有人不以为然,认为机器人只可能在某些方面超过人类,譬如体能和速度。而机器人的智能是人类赋予的,它的思考方式归根结底还只是模仿人类的思维模式,因此人类不可能被机器人控制。

从现有的研究成果来看,机器人要超越人类还有很长的路要走。现有机器人的智能主要来自于微小的芯片所具有的巨大计算能力。人类把知识以数据形式存储在机器人内部,机器人利用传感器和各种计算方法获取外部环境、内部姿态等信息,通过一定的决策控制规则,驱动自身的执行器来完成各种动作。这种智能虽然能较好地处理事务性和计算性的工作,但不能处理未知情况,难以适应快速变化的环境,无法进行创造性的工作。因此,现在能够完成复杂任务的机器人,智力还不及3岁的小孩。

尽管在短期内,机器人要超越人类甚至危害人类安全还不太可能,但对机器人的疑虑也并非杞人忧天。由于机器人的力量非常强大,设计上的一个小疏漏就有可能造成大麻烦。通过极其复杂的工程制造出的机器人或许会由于一个不经意的计算错误迷失“本性”,酿成大祸。为了避免机器人在使用过程中对人类造成意外伤害,科学家和工程师们进行了不少研究,例如通过对人类语音的识别,让机器人理解人类的意图并给予适当的帮助;设计能及时关闭机器人能源的装置,以避免意外状况发生时机器人对人造成伤害;在机器人的软件系统中给出更严格的限制等。同时,科学家们也在不断研究如何使机器人更好地融入人类社会,成为人类的助手。

与此同时,由于机器人不断在某些领域取代人类的传统工作,很多人开始担心自己会由于机器人加入竞争而失业。其实,这种担心是伴随着机器人的诞生和发展一直延续至今的,而且在一些发达国家也是如此:美国是机器人的发源地,机器人的拥有量却远远少于日本,其中部分原因就是因为很多美国工厂和工人不欢迎机器人,从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国,一个重要原因就是由于当时日本劳动力短缺,企业大量使用了机器人(日本目前部署、安装和使用了全球60%以上的机器人),日本的汽车、电子等工业因此而得以迅速崛起,并很快占领了世界市场,日本成为全球第二经济强国。

 

那么,机器人会抢人饭碗吗?英国一位著名的政治家曾经这样回答:“在发达国家中,日本机器人的数量居世界首位,而失业人口最少;英国机器人数量最少,而失业人口却居高不下。”短短几句话就洗脱了人们想当然地强加于机器人的罪名。

事实上,在现实生活中,机器人已经爆发出了强大的“生命力”。只是经历了短短40多年的发展,全球就已经拥有200万个以上的机器人,这些不计薪酬、不辞辛苦的“钢铁雄狮”活跃在各个领域,为人类提供着莫大的帮助。

处于快速增长的前夜

两年前,好莱坞巨星威尔?史密斯主演的影片《机械公敌》中为我们展示了这样一个未来世界:机器人随处可见,成为人们日常工作和生活中必不可少的部分,进行着安保、烹饪、护理和销售等各种复杂的工作。时至今日,我仍清晰地记得影片中的机器人制造公司USR的广告语:让每个家庭拥有一个机器人。而这一幕与20多年前微软发誓要让个人电脑占据每一台办公桌的豪言何其相似,这难道仅仅是影片制作公司对微软的揶揄吗?

其实微软早就出手了,只是最近我们才注意到。微软甚至认为,现在的机器人市场犹如20年前的个人电脑市场,正处在快速增长的前夜,蕴涵着巨大商机。2006年6月,微软公司在匹兹堡举行的一次机器人学专业会议上,首次披露了该公司正在开发的一种机器人软件。这套软件名为“机器人工作室”,是一种基于“视窗”操作系统的开发平台。实际上,它可以说是让机器人制造者为机器人开发任务程序的一套工具软件,其中包括一个调试、运行机器人程序的软件环境,以及一些常用的程序库。这套软件适用于机器人爱好者、研究人员和商业用户。它可以供用户在网络上或“视窗”操作系统上开发、调试8位到32位的机器人程序,用户可以与机器人实时通信,还能够在三维虚拟现实环境下模拟机器人的运行。尽管还只是一个预览版,但微软的“机器人工作室”仍然让与会的各方震惊不已。

志得意满的微软机器人集团总裁特罗尔认为,机器人实质上是个人电脑下一步的“进化方向”,也是未来计算机市场的一个关键领域。现在的机器人市场类似于上个世纪70年代末、80年代初的个人电脑市场,硬件的性能不断提高,而价格却在不断下降,使得机器人可能很快走向普通消费者。

业内一些评论人士也认同微软的观点,他们认为面向普通消费者的机器人很有可能是信息技术的又一个热点。根据记者的了解,为数不少的国外企业已经推出了具有机器人特征的智能吸尘器等小家电,未来10年中这一市场被认为可能会迅速发展到上百亿美元的规模。

也许是“逆反心理”在作祟吧,如今一说起微软,很多人的抵触情绪会令他们即刻想起一个近年来如火如荼的词语——开源。实际上,在智能机器人领域,开源也同样扮演着极为重要的角色。

Linux是机器人技术采用的较为流行的操作系统之一,从根源上来说,Linux与机器人技术的发展历史是极为相似的。机器人技术是一个实验领域,它是不断尝试、优化和革新的一种技术,这与Linux的发展是具有相同特性的。另外,早期的机器人大都非常怪异,很少能够向人们展示出实际应用的价值。与之类似的是,Linux最开始也只是某些死硬派技术怪才们使用的操作系统,但是它现在已经成长为一个功能强大而且十分稳定的操作系统,我们可以在当前的很多机器人里面找到 Linux 的踪迹。

不过,构建基于Linux的机器人并不像很多人想像的那样困难。在部分发达国家,甚至有些高中的科学课程都在鼓励学生使用Linux和现有的可用硬件作为基于Linux的机器人的核心。例如,可以使用老式的PC主板作为系统核心,并从USB磁盘上来引导 Linux。板载的并口可以很容易转换成很多设备,例如将输入和输出分离开,或者驱动一组步进马达。串口可以用来接收GPS(全球定位系统)坐标,或者连接外部设备,例如A/D(模拟信号到数字信号)或D/A(数字信号到模拟信号)转换器。最后,可以购买一个便宜的USB 摄像头来为机器人添加视觉功能。怎么样,听起来是不是既简单又诱人?当然了,这种机器人只能算是高级玩具。

在我国,虽然机器人发展相对较晚,并且存在资金和技术等瓶颈,但仍然取得了可圈可点的成绩。我国的工业机器人从20世纪80年代“七?五”科技攻关开始起步,目前已经掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术。在“863”计划的支持下,我国的智能机器人和特种机器人也取得了不少成果。虽然整体技术水平距离世界先进水平还有一定差距,但在某些领域的机器人研究已走在世界前列,譬如水下机器人、空间机器人以及仿人机器人,在日常生活服务方面的机器人研究也在不断推进。

不过,我国的机器人研究仍缺乏基础工业的支持。智能机器人涉及学科包罗万象,涵盖机械、电子、计算机、传感器、驱动与控制等多种领域技术,而我国的基础工业发展相对滞后。举例来说,智能机器人需要许多的伺服电机、传感器、电子元件和特殊材料等,而这些材料我国目前还主要依靠进口。另外,目前我国的机器人数目与全球相比只占很小的比例,粗略统计仅有数千台。

从现今世界发展的潮流来看,发展机器人已然成为一条必由之路。没有机器人,人将变为机器;有了机器人,人仍然是主人。

链接一:机器人的由来

尽管由于科技发展水平的阶段性和局限性,古时的人们不可能造出达到我们目前水平的机器人,但是由于生存的艰辛和生产效率的低下,千百年来,人类一直期冀能制造出一种像人一样的机器,以便更好地替代人类完成各种复杂、单一、重复的工作。这种美好的期望始终伴随着人类数千年的发展,一些书籍和传说也都“忠实”地加以记载,古今中外,概莫如此。

 

据说,早在西周时期,我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人。而《墨经》则告诉我们,春秋后期我国著名的木匠鲁班,曾经制造过一只木鸟,能在空中飞行“三日不下”。至于三国时期蜀国丞相诸葛亮制作的、用于运送军粮的木牛流马,就更是尽人皆知了。

西方这样的记载也不在少数,无需查阅资料就可以信手拈来:公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了自动机,这是一种以水、空气和蒸汽压力为动力的雕像,它可以自己开门,并且还能够借助蒸汽唱歌。

真正可考的机器人的雏形则是源于近代,或许我们称之为机器玩偶更为恰当:17世纪中叶,日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶;几十年后被誉为不世出的法国天才技师杰克?戴?瓦克逊制造了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还会进食和排泄。

在当时的自动玩偶中,最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克?道罗斯和他的儿子利?路易?道罗斯。1773年,他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等,他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理制成的。这些玩偶有的拿着画笔和颜色绘画,有的拿着鹅毛蘸墨水写字,结构巧妙,服装华丽,在欧洲风靡一时。现在保留下来最早的应该算是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶,它制作于二百年前,两只手的十个手指可以按动风琴的琴键从而弹奏音乐,现在还定期演奏供参观者欣赏,充分展示了前人的智慧。

从严格的意义上来讲,“机器人”一词的起源一般被认为源于捷克作家卡雷尔?卡佩克1920年的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中,卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”。在捷克语中,“Robota”是奴隶的意思,而这也奠定了该剧的基调。甫一问世的该剧悲观地描绘了机器人的发展对人类社会造成的影响,在当时引起极大的轰动。而“Robot”一词,从此也就成为现代英语中“机器人”的代指。

链接二:常用的机器人技术

目前,国际上对于机器人的智能化和多样化方面的研究主要集中在以下几点:

虚拟机器人技术:基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术,实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。

多智能体控制技术:多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面。

微型和微小型机器人技术:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向,微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

软机器人技术:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人结构材料多为金属或硬性材料,软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的,机器人对人是友好的。

仿人和仿生技术:这是机器人技术发展的最高境界,未来的机器人必须具有一定情感、社交头脑等特点,这也是各国科学家努力的目标,目前仅在某些方面进行一些基础研究。


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