用意念控制機(jī)器人

章江

麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗室與波士頓大學(xué)聯(lián)手，聯(lián)合開發(fā)出了一個反饋系統(tǒng)，讓機(jī)器人可以讀取人類思想，而不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的人類語言或以其他方式從人類獲得命令。在創(chuàng)建該系統(tǒng)時，研究團(tuán)隊首先利用腦電圖和肌電圖來分別監(jiān)測大腦活動和肌肉活動，將一系列電極放在使用者的頭皮上和前臂上。然而腦電信號并不總是能可靠地檢測到，同樣也很難檢測到肌電信號。研究人員通過將這兩者合并，找到了一種更可靠的生物傳感方法，使得系統(tǒng)可以在沒有訓(xùn)練過的情況下為用戶工作。

在這個過程中，人類只需依靠一個特殊的腦電極帽，然后進(jìn)行思維活動，就可以控制機(jī)器人的行為了。這頂帽子的作用是讀取和分析人類的腦電圖（EEG），用戶戴上之后就可以對機(jī)器人進(jìn)行操控。機(jī)器人能接收來自人類大腦活動的信息，并根據(jù)指令做出相應(yīng)的動作。

用意念操控機(jī)器人的原理聽起來很簡單，但是其中的算法相當(dāng)復(fù)雜。機(jī)器人本身不能直接讀出人類的思想，而是其背后的反饋系統(tǒng)在運(yùn)作。其中的核心技術(shù)是腦電圖監(jiān)視器，可以對大腦發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過算法計算出人類在思考什么，再將指令傳遞給機(jī)器人，它接到指令后就可以進(jìn)行相應(yīng)的動作。

“想象一下，無需輸入命令、按下按鈕或說任何一句話，通過意念就能實(shí)時控制機(jī)器人的動作，這是一件多么奇妙的事情?！甭槭±砉W(xué)院機(jī)器人研究實(shí)驗室主任丹尼爾·羅斯展望道，“如此高效的解決方案將提升人類管理工廠機(jī)器人和研發(fā)無人駕駛汽車的能力，包括那些還未發(fā)明出來的技術(shù)?！?/p>

這項技術(shù)背后的算法并不需要太多時間，通過檢測人腦的活動數(shù)據(jù)來探知人類的思想只需要10～30毫秒（接近于通過人類神經(jīng)傳遞信號的速度）。在實(shí)驗中，研究人員設(shè)法加入了“讀心術(shù)”算法。不過，該系統(tǒng)目前僅能完成相對簡單的二項選擇，機(jī)器人只會對二進(jìn)制的“對或錯”活動做出反饋。但是研究團(tuán)隊認(rèn)為，可以通過思想控制多項選擇任務(wù)，在不斷升級后做更復(fù)雜的事情。最終該系統(tǒng)將成為以更直觀的方式完全控制機(jī)器人的基礎(chǔ)，讓未來充滿了無限的可能。

麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗室使用的是Baxter人形機(jī)器人，它也常常被應(yīng)用到機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗中。這是一種多功能機(jī)器人，專為工業(yè)自動化而設(shè)計，由“再思考機(jī)器人技術(shù)”公司（Rethink Robotics）研發(fā)，是機(jī)器人大師羅德尼·布魯克斯的一件作品。這位美國國家工程院院士曾是麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)院人工智能實(shí)驗室的主任，也是發(fā)明Roomba家居清潔機(jī)器人的iRobot公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。作為世界機(jī)器人領(lǐng)域無可爭議的人物，布魯克斯在20世紀(jì)90年代設(shè)計了第一款火星機(jī)器人。他研發(fā)的首款Baxter協(xié)作機(jī)器人， 2012年一經(jīng)上市便一舉登上美國《時代周刊》封面，被評為了全球最佳發(fā)明。近幾年，布魯克斯和“再思考機(jī)器人技術(shù)”公司全力投入這種模仿生物系統(tǒng)、與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人完全不同的創(chuàng)新人機(jī)互動機(jī)器人。

堪稱“行家里手”

Baxter機(jī)器人的身體配以紅灰相間的顏色，臉部是一個顯示屏的形狀，上面畫著的Q版眼睛和眉毛能隨著電力狀態(tài)改變，還有兩只可自由活動的手臂，看起來非?？蓯酆皖Ｖ?。Baxter能夠和人類一起辦公，它擁有一套復(fù)雜的安全機(jī)制和傳感器，保護(hù)它所協(xié)助的工作人員的安全。機(jī)器人頭頂有一圈聲納傳感器，有人走近時傳感器就會自動放慢動作。如果感知到附近有人，它的臉就會變紅。按下Baxter身上大大的“?！卑粹o，就會立即停止所有動作。所以如果它站在你旁邊工作，不用擔(dān)心會被它打倒。

Baxter機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵在于它具有更類似人類的外觀，以及透過內(nèi)建軟件與傳感器而具備偵測環(huán)境的能力，因此能夠在廠房中友好地與人們和平共處。相形之下，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的模樣看起來更像是一臺機(jī)器設(shè)備，通常必須加以隔離，以避免任何機(jī)械故障對人類造成傷害。另外，還必須分別加以編程，才能執(zhí)行某項特定任務(wù)。作為一款創(chuàng)新的智能協(xié)作機(jī)器人，Baxter在生產(chǎn)環(huán)境中操作異常安全，不需要防護(hù)欄。它節(jié)省資金和寶貴的地面空間，可快速、無縫地連接到其他自動化設(shè)備，并且通常不需要第三方集成，是人力外包和固定工作形式自動化的理想替代。

Baxter的手臂關(guān)節(jié)都是經(jīng)過鉸接的，活動起來很流暢。這種順應(yīng)式手臂的驅(qū)動由馬達(dá)帶動彈簧進(jìn)行，具有力度探測功能，能夠適應(yīng)自己的任務(wù)和環(huán)境，感知異?，F(xiàn)象并引導(dǎo)部件就位。它具備一定的基本行為常識，能夠憑借獨(dú)特的功能和優(yōu)點(diǎn)，為制造商在處理小批量、多品種的生產(chǎn)工作時形成具有成本效益的解決方案，解放技術(shù)員工的雙手。

Baxter機(jī)器人不需要專門的編程人員和編程系統(tǒng)，無須專門的機(jī)器人專家或者煩瑣的客戶端程序使其完成生產(chǎn)任務(wù)。這款機(jī)器人也很容易訓(xùn)練，工廠里普通的工人就可以教會它如何工作，而且學(xué)習(xí)時間不會超過一小時。因為能夠承擔(dān)各式各樣的任務(wù)，所以減少了第三方程序員的時間和成本。根據(jù)測試， Baxter的學(xué)習(xí)能力要比直接向其輸入編碼命令可靠性提高75%?？梢灶A(yù)見，它未來將會被成百上千的應(yīng)用到工廠的生產(chǎn)線或者倉庫中。

這款機(jī)器人不是為高產(chǎn)量的目的而研發(fā)的，使用它來做高強(qiáng)度、快節(jié)奏的抓取工作可能沒有其他機(jī)器人好，但參與一些小企業(yè)中的多樣和較小的工序卻堪稱“行家里手”。既可以在工廠中獨(dú)立負(fù)責(zé)做重復(fù)性的工作，又能夠與工人配合默契，同步協(xié)作，為工業(yè)生產(chǎn)助力。它適合生產(chǎn)線上料、機(jī)器操控、包裝和材料處理等多種任務(wù)的解決方案，靈活地用于眾多生產(chǎn)環(huán)節(jié)并能在生產(chǎn)線和任務(wù)中重新部署。

Baxter機(jī)器人在工作中可快速改變用途，投資回報率通常小于一年，公司也不必專門提供腿和胳膊來促使它運(yùn)行。它的造價是目前其他工業(yè)機(jī)器人的一半，減輕了中小型公司的負(fù)擔(dān)，并且可通過定期的軟件版本更新不斷提升性能。目前，全球已有多家行業(yè)的領(lǐng)先公司將這款機(jī)器人整合到人力隊伍中，并因此取得了巨大的商業(yè)競爭優(yōu)勢。例如美國最大的網(wǎng)絡(luò)電子商務(wù)公司亞馬遜（Amazon）開始研究Baxter機(jī)器人擔(dān)任倉庫保管員的可行性，相信還有許多其他公司也有類似的打算。

實(shí)時糾正錯誤

在6月26日召開的“2018 機(jī)器人技術(shù)：科學(xué)和系統(tǒng)”大會上，麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗室公布了這個新開發(fā)的新界面系統(tǒng)，用可連接到大腦的系統(tǒng)來指引Baxter機(jī)器人如何工作。研究融合了肌電圖，讓機(jī)器人充分理解人的手勢和思維，通過與人類的合作來解決單項選擇題。比如，你只要用手指指向杯子，就可以讓它為你倒一杯水。這套系統(tǒng)的最終目標(biāo)是不斷改進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)，使得機(jī)器人可以了解更加細(xì)致的人腦活動，或者解讀更加詳細(xì)的人類手勢，從而生成更多的使用場景。

Baxter機(jī)器人可以實(shí)時讀取人類腦波，以便了解人類何時不滿意其行為。當(dāng)它意識到用戶認(rèn)為自己犯了錯誤時，會立即加以糾正。研究人員表示，該系統(tǒng)旨在讓機(jī)器人在沒有任何訓(xùn)練的情況下充當(dāng)人類意愿的延伸，能使Baxter的決策速度從70%提升到97%。由于內(nèi)置一套“基本常識”系統(tǒng)，Baxter掌握了一些基礎(chǔ)動作，例如知道移動或是放下某個物體之前，需要將其拿在手里。它還擁有一個親切友好的界面，既可以給它編程，也可以通過“演示訓(xùn)練”教會它一件事情。用戶可以做出細(xì)微的手勢，指示機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)，比如從地上撿起一串鑰匙放在桌子上。

當(dāng)人類大腦發(fā)現(xiàn)錯誤時，會發(fā)出一種名叫“誤差相關(guān)電位”的特定腦信號。這種由人體在意識到某件事出現(xiàn)錯誤時自動生成的信號雖然十分微弱，但是決定人腦能否控制機(jī)器的關(guān)鍵因素，可以顯著提高識別精度，創(chuàng)造人類和機(jī)器人之間的溝通的可能性。“誤差相關(guān)電位”信號先被腦電極帽抓取，反饋系統(tǒng)收到后即判斷出“人類對該機(jī)器人的選擇表示不同意”，再把這個信息傳遞給機(jī)器人。機(jī)器人接收到信號后就會“知道”剛剛的選擇是錯誤的，繼而表現(xiàn)出“害羞臉紅”，立刻停止正在從事的任務(wù)，等待人類用手部動作去處理。如果沒有接收到信號，機(jī)器人就會繼續(xù)重復(fù)它此前的動作。

由于系統(tǒng)使用手勢和情緒反應(yīng)等細(xì)微差別，因此允許用戶在機(jī)器人損壞東西之前就可以阻止它，甚至可以幫助機(jī)器人在任務(wù)開始前對其任務(wù)進(jìn)行修改。在一次實(shí)驗中，研究團(tuán)隊要求Baxter機(jī)器人從飛機(jī)機(jī)身3個地方中挑選一個地方進(jìn)行鉆孔。由于任務(wù)出現(xiàn)變化，站在附近的人在機(jī)器人工作前向它做手勢，改變鉆孔位置，以訓(xùn)練Baxter能很好地執(zhí)行新指令。在另一次實(shí)驗中，機(jī)器人拿著線圈擬放進(jìn)左邊顏料盒。當(dāng)用戶用意念加以制止時，它就需要等待人類指示向左或向右的方向才能重新工作，這是機(jī)器人在進(jìn)行復(fù)雜而微妙的通訊活動時采取的關(guān)鍵步驟。

據(jù)了解，這并不是第一次通過EEG相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)意念控制機(jī)器人的實(shí)驗。只是在過去的研究中，需要人類去配合機(jī)器人，以機(jī)器人可識別的方式進(jìn)行思考，而現(xiàn)在整個過程并不涉及人類參與實(shí)際操作。以上面提到的給飛機(jī)機(jī)身鉆孔的實(shí)驗為例，研究人員只是建議Baxter機(jī)器人在機(jī)身上左右移動鉆頭，不需要以特殊的方式思考或者訓(xùn)練自己與機(jī)器互動。

有了這些成功的實(shí)驗，研究團(tuán)隊認(rèn)為接下來有可能通過意念讓Baxter機(jī)器人處理更復(fù)雜的任務(wù)，例如訓(xùn)練它與老年人、有語言障礙或行動不便的殘疾人互動，甚至在口頭交流之前通過關(guān)注或發(fā)出警報來預(yù)防意外。

“當(dāng)你操控Baxter機(jī)器人時，所要做的就是心里贊同或不贊同它的行為。沒有必要去訓(xùn)練自己按照規(guī)定的方式去思考。”麻省理工學(xué)院機(jī)器人研究實(shí)驗室主任丹尼爾·羅斯指出，“機(jī)器人能讀懂你的手勢和思維，會主動來適應(yīng)你，而不是反過來你去適應(yīng)它。”

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