攜手機(jī)器人漫步人生路

Q：宋院長，您好！機(jī)器人是在怎樣的背景下誕生發(fā)展起來的？您能否給我們簡單介紹一下機(jī)器人發(fā)展的歷史？

提及機(jī)器人，大家首先會想到的肯定是像日本的鐵臂阿童木那種智能機(jī)器人。不過現(xiàn)在機(jī)器人的概念和以前是不一樣的。現(xiàn)在，只要有傳感器、具有感知功能、能夠自動化、有人工智能的機(jī)器，都可以被稱為機(jī)器人。

最早的機(jī)器人是在1946年誕生于美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室主要生產(chǎn)原子能材料。20世紀(jì)40年代，美國主要研究原子彈，而原子彈里面含有核放射性材料，人工進(jìn)行操作、安裝都會有危險(xiǎn)，于是便誕生了機(jī)器人。那時候的機(jī)器人，主要是主從遙控型操作機(jī)器人。

機(jī)器人涉及到四個關(guān)鍵技術(shù)：結(jié)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能。這些是支撐機(jī)器人的核心技術(shù)，當(dāng)然機(jī)器人還涉及到仿生學(xué)等其他技術(shù)。機(jī)器人是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，主要可分為智能機(jī)器人、遙控機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人三大類。1954年，美國控制學(xué)家德沃爾提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并與物理學(xué)家英格伯格聯(lián)手制造出第一臺真正實(shí)用的工業(yè)機(jī)器人，并很快得到了應(yīng)用。之后，他們還興辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。工業(yè)機(jī)器人適用于工業(yè)上的流水線上重復(fù)勞動，動作非常精密。比如噴漆，只要編好程序，工業(yè)機(jī)器人就會不停地重復(fù)這個動作。

智能機(jī)器人是在20世紀(jì)60年代發(fā)展非常快，那時日本的鐵臂阿童木也非常轟動，所以當(dāng)時人們預(yù)言很快能夠研制出能代替人的機(jī)器人。但到80年代末，人們發(fā)現(xiàn)，要想研制出能代替人的機(jī)器人很難很難。智能機(jī)器人要能夠像人一樣在未知的環(huán)境下，自己能夠判斷，自己去干活。但現(xiàn)實(shí)是根本不行的，一般的機(jī)器人只能和人握握手，進(jìn)行語音、手勢的交流。如果給錢讓機(jī)器人去買瓶醬油，那它出去就回不來了。這本質(zhì)原因是因?yàn)槿说乃伎际且环N并行模式，而機(jī)器人是按照計(jì)算機(jī)的串行模式（馮·諾依曼結(jié)構(gòu)）。比如我們看一幅圖像，馬上就能夠理解，但計(jì)算機(jī)處理需要很長時間。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)擅長記憶、計(jì)算，但是不善于邏輯性的推理、判斷。所以80年代末，人們對人工智能技術(shù)進(jìn)行反思，覺得智能機(jī)器發(fā)展已經(jīng)到了瓶頸階段，很難再有突破。但很多地方需要機(jī)器人，于是機(jī)器人的發(fā)展又返回到遙控機(jī)器人。但這時候的遙控機(jī)器人和之前的大不一樣，不再是之前那樣簡單的遙控，而是帶感覺的控制。人將信息傳給機(jī)器人，人怎么動，它就怎么動；它再將所感知的信息傳給人，機(jī)器人就像人的一個遠(yuǎn)程代理，從而能夠給人產(chǎn)生一種遠(yuǎn)在機(jī)器人現(xiàn)場的“身臨其境”的感覺，這是一種人機(jī)交互式的機(jī)器人，即臨場感遙操作機(jī)器人，這種交互式機(jī)器人是現(xiàn)在發(fā)展的趨勢。

日本的智能機(jī)器人是世界領(lǐng)先的。但各機(jī)器人公司研制機(jī)器人并不是拿來賣，一套機(jī)器人的造價(jià)至少是上千萬人民幣，買是買不起的b0d81679c58b5472ef165b0c70c885c5。日本索尼、本田、三菱、重工等公司研制機(jī)器人，主要是為了展現(xiàn)自身的技術(shù)水平，鍛煉并形成一支高技術(shù)水平的隊(duì)伍，展示其企業(yè)機(jī)器人文化。但美國不是，美國重在創(chuàng)新與應(yīng)用，軍事、航天、航海、醫(yī)療等都會有機(jī)器人應(yīng)用，所以很多新領(lǐng)域的機(jī)器人應(yīng)用都是美國提出來的。

Q：宋院長，您讀大學(xué)時，機(jī)器人發(fā)展可能才剛剛起步，并不是很熱門的專業(yè)，前景怎么樣，大家都不清楚。當(dāng)初，您為什么會選擇機(jī)器人這個研究專業(yè)呢？

其實(shí)，這個專業(yè)并不是我自己選擇的，而是后來被調(diào)劑過來的。高中時，我化學(xué)很好，我最初的志愿是想去浙江大學(xué)讀化學(xué)專業(yè)。但后來我報(bào)的是南京航天航空大學(xué)，因?yàn)橹袑W(xué)時我參加了航模比賽，對航空航天很感興趣。所以當(dāng)南京航天航空大學(xué)到我們學(xué)校招生時，我就報(bào)考了南航的直升機(jī)專業(yè)，但后來由于招生情況的變化，直升機(jī)專業(yè)當(dāng)年沒有招生，于是我選擇了飛行器制造，錄取時調(diào)劑到自動控制系的儀器專業(yè)，后來到東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系攻讀博士學(xué)位。

被調(diào)劑到自動控制系的儀器專業(yè)時，我的心都涼了半截。當(dāng)時我想，儀器專業(yè)不就是修手表、水表、電表的嗎？因?yàn)槲矣∠笾小皟x器”這個概念指的就是手表、電表等。但后來我慢慢地發(fā)現(xiàn)，儀器專業(yè)并不是我最初認(rèn)為的只是修修水表、電表什么的，而是研究測控技術(shù)、傳感器這么一個專業(yè)。其實(shí)這個專業(yè)的名稱有點(diǎn)誤導(dǎo)，包括我們現(xiàn)在很多學(xué)生的家長對這個專業(yè)也有點(diǎn)疑惑。宋院長與其學(xué)生為小記者展示并講解機(jī)械手的應(yīng)用及原理

不過，這個儀器專業(yè)真的很特殊，專業(yè)知識面很寬廣，涉及到傳感器、控制、精密機(jī)械、信號處理等，因此這個專業(yè)比較適合開展機(jī)器人的研究。機(jī)器人涉及到的四個支撐技術(shù)——結(jié)構(gòu)、傳感、控制、人工智能，在這個專業(yè)上都得到了體現(xiàn)。這個專業(yè)能夠?qū)W到的知識很多，但如果學(xué)得不好，就會成“萬金油”。

小記者用心地傾聽冪院長的講解

其次，之所以說這個專業(yè)特殊，是因?yàn)樗怯墒畮讉€老儀器專業(yè)合并起來的專業(yè)，包括光學(xué)儀器、電子測量儀器、自動化儀器儀表、檢測儀器，等等。所以在本科階段，這個專業(yè)叫測控技術(shù)與儀器。

從南京航天航空大學(xué)轉(zhuǎn)到東南大學(xué)讀博士時，我的專業(yè)沒有變化，只是研究課題從電機(jī)測控轉(zhuǎn)為機(jī)器人測控。我就是這樣接觸到機(jī)器人研究的，然后就留在東南大學(xué)繼續(xù)從事機(jī)器人研究工作。可以說，從事機(jī)器人研究是陰差陽錯，也可以說是命中注定。

Q：您在研究機(jī)器人的時候，遇到的困難有哪些？

在研究的過程中，遇到的問題還是比較多的。比如圖像處理、環(huán)境感知等都存在很多困難，因?yàn)檫@牽涉到太多算法的問題。以機(jī)器人傳感器為例，傳感器要求精度高，但時間久了，精度就會降低，怎么辦。再比如觸覺反饋，如何把這種真實(shí)的感受反饋回來并重構(gòu)，這種難度相當(dāng)大，是國際公認(rèn)的難題。如遠(yuǎn)程控制機(jī)械手抓取物體、摸到物體的時候，機(jī)械手有熱覺、冷覺等觸覺。當(dāng)機(jī)械手將觸摸物體時所感知的物體表面形狀、紋理、冷熱感傳回來后，如何將這種感覺一模一樣、真實(shí)地重現(xiàn)給人就非常困難。現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)是力反饋再現(xiàn)，普通的觸覺再現(xiàn)也很簡單，但當(dāng)冷、熱感一起積存起來，就會比較困難。

再比如說腦電控制，現(xiàn)在我們只能通過腦電控制手的上下運(yùn)動，但精細(xì)動作還無法控制，因?yàn)槟X電控制太復(fù)雜了，涉及到信號處理、模式識別、還有很多未知的因素。比如說神經(jīng)的走向，從腦神經(jīng)到動作到底是怎樣的一個過程，比如手做一個彎曲的動作，腦神經(jīng)的電信號沿著這個通路是怎么傳遞的，現(xiàn)在還不完全清楚。我們現(xiàn)在正在研究腦神經(jīng)的三維成像，試圖發(fā)現(xiàn)神經(jīng)信號的編碼傳遞機(jī)制。總之，未知的問題很多，難題很多。

Q：以電腦上的五子棋游戲?yàn)槔娔X是不是有自己的隨機(jī)判斷能力而決定如何出棋？

電腦的出棋步驟都是程序設(shè)計(jì)好的，如“If……then……”語句，當(dāng)然也有些是隨機(jī)的。比方講，我們投擲一枚硬幣，誰都不敢肯定上面一定是正面或反面，這是要靠猜的。但猜也是有自己的概率，比如扔100次硬幣，肯定會有接近50次正面，50次反面，既然概率相等，那我就隨機(jī)了。但當(dāng)概率有大，有小時，我們肯定會選擇概率大的情形。比如同時扔兩枚硬幣，會出現(xiàn)兩個正面，兩個反面以及一正一反三種情形。但這三種情形的概率是不一樣的，兩個正面的概率是1/4，兩個反面的概率是1/4，而一正一反的概率是1/2，那肯定是猜一正一反的概率大。有時候，決策是按概率進(jìn)行選擇的，絕對正確的決策是沒有的，只能說這個對的可能性大，那個對的可能性小。

電腦在做出選擇時，時間上會稍有延遲。比如以五子棋、象棋游戲?yàn)槔唵蔚摹⒌图壍挠螒颍娔X判斷時間很短，完成也很迅速。但如果游戲達(dá)到高級別時，電腦的反應(yīng)速度就會相對遲緩一點(diǎn)。因此電腦需要計(jì)算很多步，然后判斷哪一步最優(yōu)。但有的時候很難判斷，因?yàn)槿謺泻芏嘧顑?yōu)點(diǎn)，那到底哪個點(diǎn)是最優(yōu)，這時候就需要按概率來了。現(xiàn)實(shí)中，人有時也是憑著感覺、概率進(jìn)行判斷的。

Q：現(xiàn)在是不是所有的機(jī)器人都是按照人編好的程序運(yùn)行，對可能出現(xiàn)的方案進(jìn)行最優(yōu)選擇然后進(jìn)行判斷？

絕大多數(shù)的機(jī)器人都是這樣的，當(dāng)然這也分幾種情況。比如工業(yè)機(jī)器人，它完成的是確定性的任務(wù)，它的編程是固定的，沒有隨機(jī)性。因?yàn)槿蝿?wù)是已知的，環(huán)境是明確的，它就是從事某一動作的精密的重復(fù)性勞動。

智能機(jī)器人就有很多隨機(jī)性。在概率世界里，它也會判斷錯誤。而遙操作機(jī)器人，它有自動判斷功能，也有人的干預(yù)，兩者相結(jié)合共同完成未知任務(wù)。

Q：賽車是由人一步一步控制，工業(yè)機(jī)器人是由程序一步一步控制，這兩者的本質(zhì)是不是相同的？

兩者的本質(zhì)是不一樣的。雖然都需要編程，但工業(yè)機(jī)器人的條件是不變化的，任務(wù)是明確的，所以它可以重復(fù)。一旦流水線條件發(fā)生變化，那它的重復(fù)勞動就會出錯。而賽車機(jī)器人的環(huán)境是變化的、動態(tài)的，因此它必須要有很多傳感器對環(huán)境進(jìn)行判斷、識別，如環(huán)境識別、道路識別、障礙物識別等，當(dāng)然有時也會判斷錯誤。

Q：現(xiàn)在的機(jī)器人越來越先進(jìn)，當(dāng)機(jī)器人發(fā)展到與人有一樣的判斷力，會不會完全代替人類，甚至對人類產(chǎn)生威脅？

首先，我們要清楚機(jī)器人是人的朋友，不是來代替人的，而是來幫助人的。機(jī)器人有它的擅長，它的記憶、計(jì)算能力很強(qiáng)，而且不知疲倦。人的計(jì)算能力無法與機(jī)器人相比，但人的感覺判斷很；佳，比如一個人化妝后同時站在人和機(jī)器人的面前，人一看就可以知道是誰，而機(jī)器人要判斷很久也不一定能認(rèn)出。因此，人與機(jī)器人是一個共同體，共同合作才更有利于任務(wù)的完成。

其次，我們要清楚機(jī)器人是人創(chuàng)造的，人肯定會對機(jī)器人進(jìn)行控制與干預(yù)，絕對不會允許它取代人或者對人產(chǎn)生危害。