理論分析下的機(jī)器人發(fā)展概況

張迪飛+趙新軍

1 引言

1920年，一名捷克作家發(fā)表了一部名為《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》的劇本，里面第一次出現(xiàn)robot（機(jī)器人），自此開(kāi)始有了機(jī)器人較為具體的概念?，F(xiàn)如今機(jī)器人的問(wèn)世已經(jīng)有了幾十年，而對(duì)它的定義，卻仍然是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，日新月異的機(jī)型， 飛速發(fā)展的技術(shù)，無(wú)一不體現(xiàn)了人們對(duì)于機(jī)械與完美永無(wú)止境的探索與努力。

在現(xiàn)代，機(jī)器人出現(xiàn)了很多類(lèi)別，與人們的生活密不可分。工業(yè)機(jī)器人支撐著工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域大放光彩，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)大大解放了農(nóng)村的勞動(dòng)力，軍用機(jī)器人逐步承擔(dān)著各種危險(xiǎn)或是精細(xì)的任務(wù)，而娛樂(lè)、服務(wù)型機(jī)器人則解更多地解決了一些社會(huì)性的問(wèn)題……。本文基于TRIZ理論，對(duì)機(jī)器人的歷史發(fā)展演變以及行業(yè)概況進(jìn)行了分析探究，可以為機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供一些理論參照。

2 機(jī)器人發(fā)展史

從歷史角度看來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展史大概分為三個(gè)階段：古代機(jī)器人、現(xiàn)代機(jī)器人和未來(lái)機(jī)器人。“機(jī)器人”是存在于多種語(yǔ)言和文字中的新造詞，直到20世紀(jì)中葉，“機(jī)器人”才作為專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)加以引用，然而這時(shí)作為機(jī)器人的概念在人類(lèi)的想象中卻已存在三千多年了。

2.1 古代機(jī)器人

古代機(jī)器人更像一種“機(jī)械玩偶”，并不符合現(xiàn)代對(duì)于機(jī)器人的定義。它們大多不具備自主能力，也不能分辨外部的信號(hào)或刺激，更多地是娛樂(lè)性的成分。它們最為精彩奪目的地方就是它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)，常常通過(guò)齒輪齒條等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，就能組合出有一定復(fù)雜程度的運(yùn)動(dòng)。在材料上也大多使用木頭、金屬、布料等很平常的材料。但是這些在當(dāng)時(shí)仍是代表著最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的優(yōu)秀作品。

世界上最早的機(jī)器人誕生在中國(guó)，《列子·湯問(wèn)篇》中記載西周穆王時(shí)期，有位叫偃師的能工巧匠制作了一個(gè)"能歌善舞"的木質(zhì)機(jī)關(guān)人；春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的魯班做出了可以在天空中飛行的“木鵲”；三國(guó)時(shí)期蜀相諸葛亮發(fā)明了木牛流馬；南北朝時(shí)期杰出的科學(xué)家祖沖之制造出一種可以日行一百余里的“千里船”。

在日本，最為經(jīng)典的是活動(dòng)玩偶（指機(jī)件制動(dòng)的玩偶），使用發(fā)條結(jié)構(gòu)，其制作盛行于日本江戶(hù)時(shí)代，最具代表性的有廣為人知的“端茶玩偶”（見(jiàn)圖1）。將茶杯放在玩偶雙手端著的茶盤(pán)上，它就會(huì)晃著腦袋，慢慢挪動(dòng)雙腳，來(lái)到客人面前?？腿硕似鸩璞?，他就停止前進(jìn)，客人喝完茶將茶杯再次放在茶盤(pán)上時(shí)，他就會(huì)一個(gè)轉(zhuǎn)彎，調(diào)頭返回原處。

瑞士鐘表匠德羅斯父子三人合作制造出三個(gè)像真人一樣大小的機(jī)器人——寫(xiě)字偶人、繪圖偶人和彈風(fēng)琴偶人（見(jiàn)圖2）。它們是靠彈簧驅(qū)動(dòng)、凸輪控制的自動(dòng)機(jī)器，至今還作為國(guó)寶保存在瑞士納切爾市藝術(shù)和歷史博物館內(nèi)。

2.2 現(xiàn)代機(jī)器人

在1976年第一屆機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議上，提出了兩條代表性的機(jī)器人定義，一個(gè)是森政弘和田周平提出的“機(jī)器人是一種具有移動(dòng)性、個(gè)體性、智能性.、通用性、半機(jī)械半人性、自動(dòng)性、奴隸性等7個(gè)特征的柔性機(jī)器”。另一個(gè)是加藤一郎提出的“（1）具有腦、手、腳等三要素的個(gè)體；（2）具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠(yuǎn)方信息）和接觸傳感器；（3）具有平衡覺(jué)和固有覺(jué)的傳感器”。

現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展，以及原子能的開(kāi)發(fā)利用。在這個(gè)階段，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)也變得迅速高深起來(lái)，并且改革換代的速度也大大加快，原理和結(jié)構(gòu)都變得復(fù)雜多樣化。這個(gè)時(shí)期的機(jī)器人的自主性和可操控性大大提升，可以極大地適應(yīng)使用環(huán)境，部分機(jī)器人已經(jīng)完全可以替代人類(lèi)進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。

現(xiàn)代機(jī)器人門(mén)類(lèi)眾多，總的來(lái)說(shuō)可以分為：工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、仿生機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、特種機(jī)器人（這些分類(lèi)的界限不是十分明晰，部分概念可能會(huì)稍有重疊）。

現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。第一階段：可編程機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，可根據(jù)操作員所編的程序，完成一些簡(jiǎn)單的重復(fù)性操作。如一些工業(yè)機(jī)器人，他們只能根據(jù)提前編好的程序進(jìn)行工作，工作環(huán)境和工作對(duì)象較為單一，不具備自主性（見(jiàn)圖3）。第二階段：感知機(jī)器人，也稱(chēng)自適應(yīng)機(jī)器人，是在第一代的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有不同程度的“感知能力”。這個(gè)階段的機(jī)器人已經(jīng)可以識(shí)別一定的工作對(duì)象或者工作環(huán)境，但是感知仍是有限范圍內(nèi)的，如管道機(jī)器人（見(jiàn)圖4），它可以識(shí)別不同的管道路線或口徑從而調(diào)整自己的履帶來(lái)適應(yīng)工作環(huán)境。20世紀(jì)90年代以來(lái)，在生產(chǎn)企業(yè)中這類(lèi)機(jī)器人的臺(tái)數(shù)正逐年增加。第三階段：智能機(jī)器人，具有識(shí)別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)的智能機(jī)制，可以把感知和行動(dòng)智能化結(jié)合在一起，能在特殊環(huán)境下作業(yè)。這種機(jī)器人對(duì)技術(shù)和材料的要求性較高，具有很大的自主性和獨(dú)立性，有一些智能機(jī)器人已具備良好的傳感性和交互性，在現(xiàn)代家庭生活中占有一席之地，逐漸擔(dān)任如家庭保姆這類(lèi)更加重要的角色（見(jiàn)圖5）?？偟膩?lái)說(shuō)，智能機(jī)器人仍處在不斷探索的過(guò)程中。

3 TRIZ理論在機(jī)器人發(fā)展中的分析

3.1 kibo機(jī)器人

Kibo（見(jiàn)圖6）是一款玩具機(jī)器人（有時(shí)也稱(chēng)教育機(jī)器人），它是由KinderLab機(jī)器人公司推出的一款專(zhuān)門(mén)為4～7歲兒童設(shè)計(jì)的機(jī)器人學(xué)習(xí)套件和編程平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，兒童可以用木塊來(lái)為這款機(jī)器人編程。它運(yùn)用了分割的原理，將物體分割成了互相獨(dú)立的部分；也使用了局部質(zhì)量原理，使組成物體的每一部分都最大限度地完成任務(wù)。兒童通過(guò)自己的選擇，對(duì)積木進(jìn)行不同的組合，而每塊積木代表不同的編程，kibo就會(huì)讀取組合后的特定編程并會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)孩子們也可以通過(guò)不同的模塊組合以及編碼塊的順序組合來(lái)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的編碼知識(shí)和工程知識(shí)。

3.2 人形機(jī)器人與“恐怖谷”理論

在人形機(jī)器人領(lǐng)域，有一條經(jīng)典的森政弘“恐怖谷”理論：“隨著機(jī)器人和人類(lèi)相似度不斷增加，最初階段中人類(lèi)有很強(qiáng)的興奮感，但是當(dāng)相似度達(dá)到一定程度反而會(huì)造成強(qiáng)烈的抵抗和厭惡的情緒。到最后，隨著相似度到達(dá)一個(gè)更加高的水平，人們對(duì)機(jī)器人的態(tài)度又會(huì)再次轉(zhuǎn)化為喜愛(ài)?！边@條理論充分說(shuō)明了變有害為有益這條原理。變有害為有益就是加大一種有害因素的程度使其不再有害，這可以通過(guò)兩個(gè)經(jīng)典的機(jī)器人來(lái)說(shuō)明：

Pepper機(jī)器人（見(jiàn)圖7）是由日本軟銀集團(tuán)和法國(guó)Aldebaran Robotics研發(fā)的人形機(jī)器人。它可綜合考慮周?chē)h(huán)境，并積極主動(dòng)地作出反應(yīng)。它的外觀，正是屬于并不是和人類(lèi)十分接近的形態(tài)，推出之后大受歡迎。

同樣是日本推出的人形機(jī)器人Erica（見(jiàn)圖8），則做到了聲音表情都非常接近人類(lèi)。它的功能和pepper十分接近，但是因?yàn)橥庥^與人類(lèi)極其相似，制作工藝十分精良，也備受大家喜愛(ài)。而在它之前推出的各種“美女機(jī)器人”系列之中，有很多機(jī)器人卻因?yàn)橥庑闻c人類(lèi)有些相似卻不夠精細(xì)而遭到了大家的否定。

此外，對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其皮膚采用同質(zhì)化原理，而它的骨骼則采用了復(fù)合材料，以求和人類(lèi)更為接近，增加親切感。

3.3 昭和花子二代機(jī)器人

昭和花子二代機(jī)器人（見(jiàn)圖9）是東京昭和大學(xué)開(kāi)發(fā)的牙科訓(xùn)練模擬機(jī)器人。它有著相當(dāng)逼真的女性容貌，會(huì)通過(guò)眨眼、吞咽口水或者咳嗽等動(dòng)作來(lái)模擬病人的不適反應(yīng)，讓實(shí)習(xí)牙醫(yī)能夠盡快熟練掌握各種牙科手術(shù)。它與一代相比最為突出的特點(diǎn)就是更致力于與人的反饋，引入反饋原理以改善過(guò)程或動(dòng)作。通過(guò)更為真實(shí)更貼近人的行為反應(yīng)，來(lái)起到應(yīng)有的作用。它在材料上同樣應(yīng)用了同質(zhì)性和復(fù)合材料的原理。

3.4 RI-MAN 機(jī)器人

RI-MAN機(jī)器人（見(jiàn)圖10）是由日本名古屋理研生物模擬控制研究中心開(kāi)發(fā)的醫(yī)用搬運(yùn)工模型。它的特點(diǎn)在于應(yīng)用了參數(shù)變化、機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的替代和預(yù)補(bǔ)償。RI-MAN身高158厘米，重約100公斤，全身覆蓋著厚約5毫米的柔軟硅材料，極大地提高了它的柔性，使其在搬運(yùn)病人時(shí)不會(huì)傷害到病人。而且它的身上有5個(gè)部位安裝了柔軟的觸覺(jué)傳感器，能感受一定的壓強(qiáng)，還配置了視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和嗅覺(jué)傳感器，可根據(jù)聲源定位并通過(guò)視覺(jué)處理找到呼喚它的人，理解聲音指令，然后橫抱起模擬被護(hù)理者的人偶。除流暢地完成這一系列動(dòng)作外，它還能夠通過(guò)嗅覺(jué)傳感器來(lái)判斷懷抱的護(hù)理對(duì)象的健康狀況。負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)“RI-NAM”的研究人員說(shuō)，他們參照人類(lèi)的神經(jīng)系統(tǒng)，利用特定的構(gòu)造和裝置分別模擬人類(lèi)的大腦、小腦和脊髓，成功開(kāi)發(fā)出了可對(duì)機(jī)器人全身進(jìn)行操控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。研究人員說(shuō)，在緊急時(shí)刻，這種機(jī)器人能像人類(lèi)條件反射一樣對(duì)外界環(huán)境作出快速反應(yīng)。

3.5 QB會(huì)話機(jī)器人

Anybots公司推出了QB會(huì)話機(jī)器人（見(jiàn)圖11），該機(jī)器人是一臺(tái)人類(lèi)大小的機(jī)械裝置，裝置上攜帶了揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、攝像頭和顯示屏。用戶(hù)可以通過(guò)使用瀏覽器和鍵盤(pán)來(lái)控制QB機(jī)器人，機(jī)器人所看到的即為操作者所見(jiàn)。使用者還可以讓機(jī)器人走動(dòng)并且與遠(yuǎn)在世界的另一端的人互動(dòng)。它運(yùn)用的是等勢(shì)性、反向和中介物的原理，使物體中運(yùn)動(dòng)部分靜止，靜止部分運(yùn)動(dòng)，它可以變成“你的化身”，在使用者不方便的時(shí)候代替他進(jìn)行移動(dòng)和交流。

3.6 PoseiDRONE 機(jī)器人

如今，柔性技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。歐洲研究機(jī)構(gòu)BioRobotics開(kāi)發(fā)的章魚(yú)機(jī)器人PoseiDRONE（見(jiàn)圖12）就應(yīng)用了參數(shù)變化、維數(shù)變化和柔性殼體或薄膜的理論。它的重量?jī)H不到1kg，全身將近80%的部分由柔軟的人造橡膠構(gòu)成。較高的柔性能夠使機(jī)器人自主改變身體的形狀，四肢可以多維度變化，擁有很高的靈活性，能夠適應(yīng)更多復(fù)雜的環(huán)境。

4 機(jī)器人未來(lái)預(yù)測(cè)

未來(lái)的機(jī)器人將會(huì)越來(lái)越趨于專(zhuān)業(yè)化，在一些精細(xì)度較高或操作環(huán)境較為特殊的環(huán)境下還有替代人類(lèi)的趨勢(shì)，在未來(lái)的生產(chǎn)生活中，機(jī)器人將占有很大的比例，各行各業(yè)都有可能在機(jī)器人技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)生翻天覆地的變化。醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展空間十分廣闊，當(dāng)解決機(jī)器人的自主性問(wèn)題時(shí)，它們將會(huì)出現(xiàn)在更多門(mén)類(lèi)的手術(shù)上，精細(xì)程度高，不會(huì)疲倦，不會(huì)受到感染這些都是它們的有利條件。機(jī)器人還可以替代人類(lèi)身體損傷的部分在人體中繼續(xù)工作。在軍用方面更是急需更為先進(jìn)的機(jī)器人，一旦爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)，機(jī)器人可以替代人類(lèi)統(tǒng)治未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，進(jìn)入一些危險(xiǎn)的場(chǎng)地進(jìn)行探查，可以極大降低戰(zhàn)場(chǎng)上的犧牲人數(shù)。此外，針對(duì)操作環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，以及機(jī)器本身的可操作性，未來(lái)機(jī)器人也會(huì)向柔性、多維方向發(fā)展，以改變現(xiàn)有機(jī)器人靈活度不夠的問(wèn)題，結(jié)合預(yù)補(bǔ)償可以更好適應(yīng)工作環(huán)境以求得盡可能大的效益?，F(xiàn)代機(jī)器人中第一階段第二階段的機(jī)器人均會(huì)向第三階段慢慢過(guò)渡，在此之下必然要求新的技術(shù)和材料的出現(xiàn)，可能會(huì)有低成本、不耐用的材料來(lái)替代貴重耐用的材料，而拋棄與修復(fù)和自服務(wù)也是考驗(yàn)機(jī)器人智能化程度的關(guān)鍵所在。新的科學(xué)技術(shù)推動(dòng)著機(jī)器人的發(fā)展，而在先進(jìn)機(jī)器人參與之下，科研進(jìn)程也會(huì)被更加迅猛地向前推進(jìn)。在智能化的大環(huán)境下，智能機(jī)器人也必然是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)。無(wú)人駕駛的汽車(chē)、可以隨天氣變化而變化的衣物、全由機(jī)器人來(lái)?yè)?dān)任其中工作的無(wú)人工廠等，這些也將步入現(xiàn)實(shí)，機(jī)器人將會(huì)使人們的生活更為便捷。

未來(lái)的機(jī)器人會(huì)更加細(xì)致全面滲透入人們的生活。然而因?yàn)槠浯嬖诘莫?dú)特性，法律和倫理道德有可能也會(huì)做相應(yīng)的變動(dòng)。如果我們?cè)试S未來(lái)機(jī)器人擁有情感，毫無(wú)疑問(wèn)這將引領(lǐng)人們進(jìn)入更深層次的智能時(shí)代，機(jī)器人將會(huì)在家庭生活中擔(dān)任保姆角色，完全地照顧我們的老人和小孩，全面地照顧我們的生活起居，也可以在工作中成為得力的助手，為有效收集和分析信息，并且以一個(gè)“獨(dú)立”的身份做出合理的建議?？偠灾?，未來(lái)機(jī)器人還會(huì)有很大的發(fā)展，會(huì)愈加接近人們的理想狀態(tài)，對(duì)于機(jī)器人的觀念，也會(huì)有很大的改變，而機(jī)器人的界限和定義，會(huì)變得更加寬泛。

5 小結(jié)

機(jī)器人的發(fā)展歷經(jīng)多年，從開(kāi)始僅作為賞玩的工具，到現(xiàn)在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而伴隨著科技的發(fā)展更是以日新月異的速度在不斷進(jìn)步。機(jī)器人的未來(lái)，也必會(huì)有一番很大的變化，未來(lái)的生活、工作、學(xué)習(xí)都將離不開(kāi)它。從古代機(jī)器人到現(xiàn)代機(jī)器人，機(jī)器人的發(fā)展歷程體現(xiàn)了諸多的TRIZ原理的應(yīng)用，而現(xiàn)在的較為先進(jìn)的機(jī)器人其中的特點(diǎn)也往往是某條或某幾條原理的最優(yōu)化體現(xiàn)。結(jié)合TRIZ理論，機(jī)器人的發(fā)展可以走得更好、更符合人類(lèi)的要求。而機(jī)器人，也可以適應(yīng)各種各樣的環(huán)境，在不同的領(lǐng)域中盡職盡責(zé)地發(fā)揮著自己的作用。

責(zé)編/馬銘陽(yáng)