機(jī)器與人，融合的未來

機(jī)器人（robot）這個(gè)詞語最早出現(xiàn)在捷克科幻作家恰佩克1920年完成的科幻話劇《羅索姆的萬能機(jī)器人》中，在恰佩克的話劇中，作者虛構(gòu)了一種名為“robota”的人形機(jī)器人，它可以聽從主人的命令任勞任怨地從事各種勞動。原文用的是“robota”，后來演變?yōu)椤皉obot”在英文中通用。

究竟什么是機(jī)器人？機(jī)器人一定是人形的嗎？一方面，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過程中，不同的國家，不同的學(xué)者給出的定義不盡相同；另一方面，隨著時(shí)代的進(jìn)步，機(jī)器人的內(nèi)涵仍在不斷發(fā)展變化。目前，聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程、多功能的、用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！蓖ㄋ椎卣f，機(jī)器人就是能自動工作的機(jī)器。

科幻小說家阿西莫夫在小說《我，機(jī)器人》中設(shè)定了著名的機(jī)器人三大定律，規(guī)定所有的機(jī)器人必須遵守這三條定律：

1.機(jī)器人不得傷害人類，且確保人類不受傷害；

2.在不違背第一定律的前提下，機(jī)器人必須服從人類的命令；

3.在不違背第一及第二定律的前提下，機(jī)器人必須保護(hù)自己。

現(xiàn)實(shí)社會中，這三大定律也成為了機(jī)械倫理學(xué)的基礎(chǔ)。然而，科幻小說中的機(jī)器人至今還沒有真正走入我們的生活。

目前，世界上可稱之為機(jī)器人的機(jī)器系統(tǒng)是由機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、控制器三大部分組成的。

機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：機(jī)械手、運(yùn)動結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成機(jī)器人整體框架的所有元件。機(jī)械手相當(dāng)于人的手，可完成各種工作；運(yùn)動結(jié)構(gòu)相當(dāng)于人的腳，能夠讓機(jī)器人整體靈活地移動，機(jī)器人靠它來走路。傳感器的作用是獲取機(jī)器人自身以及外部環(huán)境信息，機(jī)器人依靠傳感器來決定自己的動作。傳感器就像人類的眼睛、鼻子、耳朵、皮膚、舌頭等感覺器官。傳感器同樣也有很多種類，比如觸碰傳感器、光電傳感器、顏色傳感器、溫度傳感器等?？刂破鞑糠窒喈?dāng)于人類的大腦或中樞神經(jīng)系統(tǒng)，它能夠把傳感器獲取的信息處

理之后讓機(jī)械結(jié)構(gòu)部分做出相應(yīng)的反應(yīng)。以教學(xué)機(jī)器人樂高機(jī)器人為例，它集合了可編程樂高控制器、電動馬達(dá)、多種傳感器、樂高技術(shù)部分（齒輪、輪軸、插銷）等。

機(jī)器人的誕生

美國是機(jī)器人的誕生地，1954年美國人戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。1959年，UNIMATION公司的第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國誕生，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力十分緊張，而到了20世紀(jì)60年代末，日本經(jīng)濟(jì)年增長率達(dá)11%，高速度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加劇了勞動力嚴(yán)重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國UNIMATION公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機(jī)器人。如今，世界上最先進(jìn)的類人形機(jī)器人也來自日本，是由本田公司研發(fā)出來的。

我國早在“七五”計(jì)劃（1986～1990年）中就把機(jī)器人列入國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，在沈陽建立了全國第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。多年來，相繼研制出可進(jìn)行搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。比如，我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。另外，開發(fā)智能機(jī)器人也是國家863高技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的一部分。但我國的機(jī)器人技術(shù)相對還比較落后，目前主要還是生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。

各行各業(yè)的機(jī)器人

如今，對人類來說，太臟太累、太危險(xiǎn)、太精細(xì)、太粗重或太反復(fù)無聊的工作常常由機(jī)器人代勞。從事制造業(yè)的工廠里的生產(chǎn)線就應(yīng)用了很多工業(yè)機(jī)器人，其他應(yīng)用領(lǐng)域還包括：射出成型業(yè)、建筑業(yè)、石油鉆探、礦石開采、太空探索、水下探索、毒害物質(zhì)清理、搜救、醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域等。

按照應(yīng)用范圍來劃分，當(dāng)代機(jī)器人分為以下幾類：工業(yè)機(jī)器人、空間機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、排險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人、教學(xué)機(jī)器人和娛樂機(jī)器人。

工業(yè)機(jī)器人是全球應(yīng)用范圍最廣的一類機(jī)器人。截至2010年末，中國運(yùn)行中的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量超過5萬臺，應(yīng)用程度與發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距，如運(yùn)行數(shù)量約為日本的1/10、德國的1/4，可見中國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)未來發(fā)展空間較大。近年來，亞洲及美洲工業(yè)機(jī)器人的裝配量明

顯上升，除了汽車工業(yè)以及電子電器行業(yè)，化工領(lǐng)域應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的需求量也迅速上升。

軍用機(jī)器人研發(fā)方面，走在前列的國家主要有美國和以色列，如果不將全球各種正在服役的無人飛機(jī)包含在內(nèi)的話，比較典型的軍用機(jī)器人包括DRDO公司的Daksh， iRobot公司的PackBot，福斯特-米勒公司的“魔爪”，以色列USV公司的Guardium，韓國三星公司的SGR-A1等。目前軍用機(jī)器人已經(jīng)被應(yīng)用于阿富汗、巴以沖突等局部戰(zhàn)爭中，比較常見的任務(wù)包括偵察、排雷等。這種機(jī)器人往往非常靈活，可以穿越復(fù)雜地形，部分型號的機(jī)器人裝備了機(jī)槍等攻擊性武器。

在國外，機(jī)器人教育一直是個(gè)熱點(diǎn)。早在1994年，美國麻省理工學(xué)院就設(shè)立了 “設(shè)計(jì)和建造樂高機(jī)器人”課程，目的是提高工程設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)造能力，嘗試機(jī)器人教育與理科實(shí)驗(yàn)的整合；麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室“終身幼兒園”項(xiàng)目小組通過與著名積木玩具商樂高公司的緊密合作，開發(fā)了各種教學(xué)工具。該項(xiàng)目組開發(fā)出可編程的樂高玩具，幫孩子們學(xué)會在數(shù)字時(shí)代怎樣進(jìn)行設(shè)計(jì)活動。同時(shí)，國外的一些智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室也有相應(yīng)的機(jī)器人教育研究的內(nèi)容。

我國一些發(fā)達(dá)省市也開始嘗試機(jī)器人教育。最新的高中課程標(biāo)準(zhǔn)在“信息技術(shù)”科目中也設(shè)立了“人工智能初步”選修模塊，我國的人工智能教育正在走向大眾化、普及化。

嶄新的機(jī)器人技術(shù)

從全球范圍來看，工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)、遙控機(jī)器人系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為近幾年機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。而外骨骼機(jī)器人將成為與人類融合最為緊密的機(jī)器人，也將在不遠(yuǎn)的未來更多地用于現(xiàn)實(shí)生活。

在工業(yè)機(jī)器人方面，隨著技術(shù)的創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人各方面性能將不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格會不斷下降。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日趨小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)，將大大提高系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。很多工業(yè)機(jī)器人都在走向大眾生活，比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的食堂已經(jīng)開始使用該校研制的削面機(jī)器人，替代了部分廚師的工作。

從機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊以重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。

國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。可以說，未來機(jī)器人的身體將更加靈活、輕巧，眼睛、耳朵、手等感覺器官也將更加靈敏。

當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展方向不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。

美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例?！八鹘芗{”的體積小，動作靈活，擁有條形激光器和攝像機(jī)。它在火星上執(zhí)行指令的情況由飛船拍攝下來，傳送回地球，在電腦屏幕上顯示出來，科學(xué)家根據(jù)這些圖像，再決定小車下一步的行動。另外，“索杰納”上還安裝了5臺激光測距儀，可以依靠它們直接偵察周圍地形，及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物，尋找沒有障礙的前進(jìn)路線。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。這種技術(shù)經(jīng)常用于空間機(jī)器人的制造，如美國的“勇氣”號和“機(jī)遇”號火星探測器均利用了此項(xiàng)技術(shù)。這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展空間非常廣闊，未來各行各業(yè)的機(jī)器人都有可能用到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過身臨其境的情景遠(yuǎn)程操作機(jī)器將不再是科幻電影中的場景。

與人類融合的外骨骼機(jī)器人？

機(jī)器人作為人類的一部分，未來將與我們有更為深入的融合，外骨骼機(jī)器人將成為機(jī)器人領(lǐng)域未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著科技的發(fā)展，尤其是傳感器技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)和仿生學(xué)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的突破，外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)也取得了很大的進(jìn)步。

外骨骼機(jī)器人是一種人工外骨骼，也是一種機(jī)械機(jī)構(gòu)，類似于昆蟲的外骨骼，能穿戴在人體外部，可以給人提供保護(hù)和額外的動力，增強(qiáng)人體機(jī)能，使操作者能輕松地完成很多困

難的活動和任務(wù)，如使腿殘疾的人能夠站立和自己上樓，讓普通士兵在負(fù)重的情況下依舊健步如飛。外骨骼所具有的這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起了人們的極大興趣，一些科學(xué)家從仿生學(xué)的角度來研究人工外骨骼，使得近年來外骨骼機(jī)器人的研究與開發(fā)成為一個(gè)新的熱點(diǎn)，并在軍事、科研、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到了廣泛的應(yīng)用。

外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的研制和應(yīng)用可以分為民用和軍用兩大類。民用的外骨骼機(jī)器人主要用來輔助殘疾人、老年人和喪失部分運(yùn)動能力的病人行走。它由背囊、內(nèi)裝計(jì)算機(jī)和一組電池感應(yīng)控制設(shè)備、4個(gè)分布在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩側(cè)的電傳裝置組成，其機(jī)器腿的運(yùn)動完全由使用者通過自動控制器來控制，不需要任何操縱臺或外部控制設(shè)備。它配備了多種傳感器，所有動力驅(qū)動、測量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)和動力供應(yīng)設(shè)備都裝在背包中，是一個(gè)可佩戴的混合控制系統(tǒng)。

比如，日本筑波大學(xué)的HAL-5外骨骼機(jī)器人裝有主動控制系統(tǒng)，采用肌電傳感器來辨別人的運(yùn)動意識，可以探測到人體表面非常微弱的信號，動力裝置根據(jù)接收的信號來控制肌肉運(yùn)動，幫助使用者完成站立、步行、爬樓、舉重物等日常生活中的幾乎一切活動。

軍用的外骨骼機(jī)器人主要用來增強(qiáng)普通士兵的能力，可以讓普通士兵成為在負(fù)重較大的情況下依舊可以跳過較高物體和快速奔跑的超級士兵。目前，這方面研究比較成熟的有美國洛克希德·馬丁公司的人類負(fù)重外骨骼系統(tǒng)（簡稱HULC）。它是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的外穿型機(jī)械骨骼，整套系統(tǒng)由鈦合金制成的機(jī)械腿、驅(qū)動裝置以及控制計(jì)算機(jī)和背部的負(fù)重部分、散熱單元等組成，可以幫助士兵在負(fù)重較大的情況下長時(shí)間行軍。

外骨骼機(jī)器人是一種和人緊密聯(lián)系的、人機(jī)結(jié)合的機(jī)械動力系統(tǒng)，其中運(yùn)用了大量傳感器。隨著傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新，外骨骼系統(tǒng)對外界環(huán)境的感知判斷能力和對操作者動作意識的判斷將會更加快速、準(zhǔn)確，使其智能化水平進(jìn)一步提高。同時(shí)通過集成先進(jìn)的探測感應(yīng)裝置，未來的外骨骼系統(tǒng)將會在第一時(shí)間感知周圍環(huán)境的變化，并在緊急的情況下幫助使用者迅速擺脫危險(xiǎn)，例如可以幫助殘疾人安全地過馬路，幫助士兵在未來的戰(zhàn)場中敏銳地感知周圍環(huán)境并快速地脫離危險(xiǎn)地域。外骨骼技術(shù)涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器等學(xué)科領(lǐng)域，是多種高新科技的集成。隨著科技的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，外骨骼系統(tǒng)的智能化、人機(jī)耦合、模塊化和微型化的程度也會越來越高，功能也將越來越強(qiáng)大。

至少在可以預(yù)見的未來，機(jī)器人還只是人類身體的延伸，再強(qiáng)大的人工智能也還需要人類的思維來控制它的“意志”。這種靈與肉的分開避免了很多道德困境。當(dāng)有一天機(jī)器人也有了和人類一樣的思考﹑感知能力，它們還會是工具和玩具嗎？它們會如何看待自己的命運(yùn)呢？人類又會如何看待它們的命運(yùn)呢？也許那時(shí)它們就該稱為“他們”了。