機器與人，融合的未來

機器人（robot）這個詞語最早出現(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。

究竟什么是機器人？機器人一定是人形的嗎？一方面，在科學技術(shù)發(fā)展的過程中，不同的國家，不同的學者給出的定義不盡相同；另一方面，隨著時代的進步，機器人的內(nèi)涵仍在不斷發(fā)展變化。目前，聯(lián)合國標準化組織（ISO）采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程、多功能的、用來搬運材料、零件、工具的操作機；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，機器人就是能自動工作的機器。

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

1.機器人不得傷害人類，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，機器人必須保護自己。

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

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

機械結(jié)構(gòu)包括：機械手、運動結(jié)構(gòu)以及構(gòu)成機器人整體框架的所有元件。機械手相當于人的手，可完成各種工作；運動結(jié)構(gòu)相當于人的腳，能夠讓機器人整體靈活地移動，機器人靠它來走路。傳感器的作用是獲取機器人自身以及外部環(huán)境信息，機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?？刂破鞑糠窒喈斢谌祟惖拇竽X或中樞神經(jīng)系統(tǒng)，它能夠把傳感器獲取的信息處

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

機器人的誕生

美國是機器人的誕生地，1954年美國人戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機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)機器人在美國誕生，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進。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60年代末，日本經(jīng)濟年增長率達11%，高速度的經(jīng)濟發(fā)展更加劇了勞動力嚴重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國UNIMATION公司引進機器人及其技術(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”機器人。如今，世界上最先進的類人形機器人也來自日本，是由本田公司研發(fā)出來的。

我國早在“七五”計劃（1986～1990年）中就把機器人列入國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。多年來，相繼研制出可進行搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)機器人技術(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)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。另外，開發(fā)智能機器人也是國家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、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。

各行各業(yè)的機器人

如今，對人類來說，太臟太累、太危險、太精細、太粗重或太反復無聊的工作常常由機器人代勞。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、軍事領(lǐng)域等。

按照應(yīng)用范圍來劃分，當代機器人分為以下幾類：工業(yè)機器人、空間機器人、水下機器人、軍用機器人、排險救災(zāi)機器人、教學機器人和娛樂機器人。

工業(yè)機器人是全球應(yīng)用范圍最廣的一類機器人。截至2010年末，中國運行中的工業(yè)機器人數(shù)量超過5萬臺，應(yīng)用程度與發(fā)達國家相比存在較大差距，如運行數(shù)量約為日本的1/10、德國的1/4，可見中國工業(yè)機器人行業(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)機器人的需求量也迅速上升。

軍用機器人研發(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包含在內(nèi)的話，比較典型的軍用機器人包括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。這種機器人往往非常靈活，可以穿越復雜地形，部分型號的機器人裝備了機槍等攻擊性武器。

在國外，機器人教育一直是個熱點。早在1994年，美國麻省理工學院就設(shè)立了 “設(shè)計和建造樂高機器人”課程，目的是提高工程設(shè)計專業(yè)學生的設(shè)計和創(chuàng)造能力，嘗試機器人教育與理科實驗的整合；麻省理工學院媒體實驗室“終身幼兒園”項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)了各種教學工具。該項目組開發(fā)出可編程的樂高玩具，幫孩子們學會在數(shù)字時代怎樣進行設(shè)計活動。同時，國外的一些智能機器人實驗室也有相應(yīng)的機器人教育研究的內(nèi)容。

我國一些發(fā)達省市也開始嘗試機器人教育。最新的高中課程標準在“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。

嶄新的機器人技術(shù)

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

在工業(yè)機器人方面，隨著技術(shù)的創(chuàng)新，工業(yè)機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），而單機價格會不斷下降。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、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)機器人都在走向大眾生活，比如哈爾濱工業(yè)大學的食堂已經(jīng)開始使用該校研制的削面機器人，替代了部分廚師的工作。

從機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，機械結(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、減速機、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)造機器人整機。

國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。機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、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、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。

當代遙控機器人系統(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器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。

美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例?！八鹘芗{”的體積小，動作靈活，擁有條形激光器和攝像機。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，及時發(fā)現(xiàn)障礙物，尋找沒有障礙的前進路線。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個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、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人領(lǐng)域的作用已從仿真、預演發(fā)展到過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。這種技術(shù)經(jīng)常用于空間機器人的制造，如美國的“勇氣”號和“機遇”號火星探測器均利用了此項技術(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)的機器人都有可能用到虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過身臨其境的情景遠程操作機器將不再是科幻電影中的場景。

與人類融合的外骨骼機器人？

機器人作為人類的一部分，未來將與我們有更為深入的融合，外骨骼機器人將成為機器人領(lǐng)域未來發(fā)展的一個重要方向。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)和仿生學技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的突破，外骨骼機器人系統(tǒng)的研發(fā)也取得了很大的進步。

外骨骼機器人是一種人工外骨骼，也是一種機械機構(gòu)，類似于昆蟲的外骨骼，能穿戴在人體外部，可以給人提供保護和額外的動力，增強人體機能，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，讓普通士兵在負重的情況下依舊健步如飛。外骨骼所具有的這些優(yōu)點已經(jīng)引起了人們的極大興趣，一些科學家從仿生學的角度來研究人工外骨骼，使得近年來外骨骼機器人的研究與開發(fā)成為一個新的熱點，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。民用的外骨骼機器人主要用來輔助殘疾人、老年人和喪失部分運動能力的病人行走。它由背囊、內(nèi)裝計算機和一組電池感應(yīng)控制設(shè)備、4個分布在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩側(cè)的電傳裝置組成，其機器腿的運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)、計算機、無線網(wǎng)絡(luò)和動力供應(yīng)設(shè)備都裝在背包中，是一個可佩戴的混合控制系統(tǒng)。

比如，日本筑波大學的HAL-5外骨骼機器人裝有主動控制系統(tǒng)，采用肌電傳感器來辨別人的運動意識，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。

軍用的外骨骼機器人主要用來增強普通士兵的能力，可以讓普通士兵成為在負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·馬丁公司的人類負重外骨骼系統(tǒng)（簡稱HULC）。它是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的外穿型機械骨骼，整套系統(tǒng)由鈦合金制成的機械腿、驅(qū)動裝置以及控制計算機和背部的負重部分、散熱單元等組成，可以幫助士兵在負重較大的情況下長時間行軍。

外骨骼機器人是一種和人緊密聯(lián)系的、人機結(jié)合的機械動力系統(tǒng)，其中運用了大量傳感器。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、準確，使其智能化水平進一步提高。同時通過集成先進的探測感應(yīng)裝置，未來的外骨骼系統(tǒng)將會在第一時間感知周圍環(huán)境的變化，并在緊急的情況下幫助使用者迅速擺脫危險，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地域。外骨骼技術(shù)涉及到機械、電子、控制、計算機、傳感器等學科領(lǐng)域，是多種高新科技的集成。隨著科技的不斷創(chuàng)新與進步，外骨骼系統(tǒng)的智能化、人機耦合、模塊化和微型化的程度也會越來越高，功能也將越來越強大。

至少在可以預見的未來，機器人還只是人類身體的延伸，再強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。當有一天機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呢？人類又會如何看待它們的命運呢？也許那時它們就該稱為“他們”了。