探索的機(jī)器人類型和使用方式

近年來(lái)美國(guó)波士頓動(dòng)力機(jī)器人在國(guó)際社會(huì)頻頻出彩，這背后離不開(kāi)美國(guó)的機(jī)器人研究和創(chuàng)新支持。那美國(guó)是如何一步步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人研究與創(chuàng)新的？這不得不說(shuō)到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）。

NSF是美國(guó)獨(dú)立的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，建立初衷旨在促進(jìn)美國(guó)的科學(xué)進(jìn)步，自國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）成立以來(lái)，曾針對(duì)性對(duì)計(jì)算機(jī)和工程基礎(chǔ)研究進(jìn)行了支持，目前已經(jīng)使計(jì)算機(jī)科學(xué)在美國(guó)得以長(zhǎng)足發(fā)展，NSF的支持方向一度成為美國(guó)資本追逐的寵兒。機(jī)器人行業(yè)是NSF自計(jì)算機(jī)以來(lái)再一個(gè)看好的新產(chǎn)業(yè)動(dòng)能，但其發(fā)展經(jīng)歷了非常長(zhǎng)的過(guò)程。

在機(jī)器人行業(yè)，盡管美國(guó)在傳感器，機(jī)器運(yùn)動(dòng)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面進(jìn)行了前置性早期投資，但直到1972年才算是美國(guó)真正意義上資助了第一筆明確帶有“機(jī)器人”頭銜的資助，這筆項(xiàng)目贊助達(dá)$ 39，300。當(dāng)時(shí)這筆錢直接分配給到了德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Laurent Siklossy，以進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)的實(shí)踐問(wèn)題解決，定理證明，新定理發(fā)現(xiàn)和機(jī)器人方向的指導(dǎo)以及探索。

1970年代：工廠車間機(jī)器人

到了在20世紀(jì)70年代中期，NSF把目光真正轉(zhuǎn)向機(jī)器人，并逐漸開(kāi)始在機(jī)器人技術(shù)發(fā)力。被歸類為機(jī)器人技術(shù)的第一個(gè)研究項(xiàng)目是機(jī)械臂（如下圖所示），該機(jī)械臂可以從包裝箱中取出零件并進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，并能對(duì)其進(jìn)行正確重定向，為了方便在裝配線上進(jìn)行下一步操作，計(jì)算機(jī)控制的焊接機(jī)器人也同時(shí)被研發(fā)。這些由NSF資助的機(jī)器人項(xiàng)目旨在提高美國(guó)制造工藝的生產(chǎn)率，這一目標(biāo)一直持續(xù)到今天，無(wú)數(shù)的商業(yè)公司為之在努力。

（由斯坦福研究所開(kāi)發(fā)的這種機(jī)械臂圖像類似于1976年NSF年度報(bào)告中出現(xiàn)的圖像。機(jī)器人系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)識(shí)別和決策裝配線上的零件。這是那個(gè)時(shí)代旨在提高美國(guó)制造工藝生產(chǎn)率的幾個(gè)項(xiàng)目之一。圖片來(lái)源：SRI International）

1980年代：步行機(jī)的興起

1980年代，NSF資助開(kāi)始變多，同時(shí)在方向上，正在探索的機(jī)器人類型和使用方式日益呈現(xiàn)多樣化。在俄亥俄州立大學(xué)，電氣工程師Robert McGhee和機(jī)械工程師Kenneth Waldron以及一支由60名成員組成的學(xué)生和技術(shù)助理團(tuán)隊(duì)，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和高級(jí)國(guó)防部的支持下，開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)汽車懸掛機(jī)器人（ASV），被項(xiàng)目研究局（DARPA）稱為“Walker”。

這個(gè)綽號(hào)“Walker”俄亥俄州立大學(xué)的自適應(yīng)車輛懸架機(jī)器人（AVS），由電氣工程師Robert McGhee和機(jī)械工程師Kenneth Waldron以及一支由60名成員組成的學(xué)生和技術(shù)助理團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)，“ Walker”設(shè)計(jì)用于在崎嶇，多山，冰冷或泥濘的地形上運(yùn)輸工業(yè)和軍事用途的貨物。

（Walker，圖片來(lái)源：俄亥俄州立大學(xué)檔案館）

ASV長(zhǎng)17英尺，寬8英尺，高10.5英尺，并有6條支腳支撐其三噸重的鋁制車身。它旨在在崎嶇、多山，冰冷或泥濘的地形上運(yùn)輸工業(yè)和軍事用途的貨物，并且能夠穿越9英尺寬的溝渠或7英尺高的墻。

Walker使用前置雷達(dá)系統(tǒng)掃描前方地形，并將數(shù)據(jù)以及操作員操縱桿上的指令輸入到16臺(tái)車載計(jì)算機(jī)中，這些計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)并控制了ASV的腿部。電腦分別使每條腿上下，向前和向后移動(dòng)，并且離ASV身體更近或更遠(yuǎn)，以實(shí)現(xiàn)笨拙但可維修的騎行。

1990年代：機(jī)器人探索新環(huán)境

不久之后，在NSF的支持下，研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)一種針對(duì)非常不同的環(huán)境的機(jī)器人，水下環(huán)境得到了優(yōu)先考慮。全向智能導(dǎo)航器（ODIN）就在這個(gè)時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生，其于1991年首次制造，是一種球形的自主水下機(jī)器人，能夠在所有六個(gè)方向上進(jìn)行瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)。

項(xiàng)目最初是作為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作機(jī)器人目的而立的，1995年將其升級(jí)為自動(dòng)水下機(jī)器人ODIN II。直到如今，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助開(kāi)發(fā)的后繼機(jī)器人哨兵（Sentry）還在深海中尋找和量化熱液通量。

（ODIN，圖源：夏威夷大學(xué)自治系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室）

在1990年代，機(jī)器人專家開(kāi)始將注意力轉(zhuǎn)移到機(jī)器人可以協(xié)助的日常任務(wù)上。例如，在匹茲堡大學(xué)，密歇根大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員就嘗試開(kāi)發(fā)了一系列移動(dòng)式個(gè)人服務(wù)機(jī)器人，這些研究方向得到了贊助，例如Nursebot就在當(dāng)時(shí)誕生，其最初的目的是幫助老年人日常生活。

這個(gè)“生活”在一個(gè)慢性病老人家中的自動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人可以提醒其主人吃藥，與醫(yī)生進(jìn)行視頻會(huì)議，收集患者數(shù)據(jù)或注意事故，為關(guān)節(jié)炎患者操縱物體以及提供一些社交互動(dòng)。多年來(lái)，以這個(gè)機(jī)器人初衷為原型，后續(xù)的新版本不斷發(fā)展，預(yù)計(jì)通用電氣開(kāi)發(fā)的醫(yī)院機(jī)器人將于目前也逐漸在退伍軍人事務(wù)醫(yī)院進(jìn)行測(cè)試。

（Nursebot，圖片提供：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）

研究人員一直在設(shè)想機(jī)器人將在災(zāi)難恢復(fù)和搜索救援中發(fā)揮普遍作用的未來(lái)，但是直到美國(guó)9/11發(fā)生后才廣泛使用這種類型的機(jī)器人。

機(jī)器人專家羅賓·墨菲（Robin Murphy），當(dāng)時(shí)是南佛羅里達(dá)大學(xué)（University of South Florida）計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，他在世貿(mào)中心倒塌后的第二天早上到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。她帶來(lái)了一個(gè)響應(yīng)團(tuán)隊(duì)，其中包括三個(gè)研究生-珍·卡斯珀（Jenn Casper），馬克·米切爾（Mark Micire）和布萊恩·明滕（Brian Minten）–以及有軟件指導(dǎo)的“有袋動(dòng)物”機(jī)器人系統(tǒng)。這些智能的匿名“有袋”機(jī)器人在瓦礫中特別有用，因?yàn)椤澳赣H”機(jī)器人釋放了較小的機(jī)器人來(lái)探索其他方式無(wú)法到達(dá)的狹窄空間。墨菲對(duì)用于城市救援行動(dòng)的實(shí)驗(yàn)性混合啟動(dòng)機(jī)器人的研究最初由NSF資助。

9月12日至23日，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）資助的研究人員協(xié)助了世界貿(mào)易中心（World Trade Center）的恢復(fù)工作。南佛羅里達(dá)大學(xué)工程學(xué)教授羅賓·墨菲（Robin Murphy）和三名研究生帶著六個(gè)城市搜索和救援機(jī)器人在紐約“歸零”，以幫助找到幸存者。墨菲為期11天的任務(wù)是一個(gè)較大團(tuán)隊(duì)的一部分，該團(tuán)隊(duì)回收了6名受害者的遺體。

墨菲的機(jī)器人獨(dú)特之處在于它們的體積小，可以在非常狹窄的情況下進(jìn)行機(jī)動(dòng)。這些機(jī)器人被束縛在一起，并配有前燈和攝像頭，為救援任務(wù)帶來(lái)了明顯的優(yōu)勢(shì)，就像世界貿(mào)易中心襲擊的規(guī)模一樣，在那次襲擊中，破壞是巨大的，而且恢復(fù)非常危險(xiǎn)。盡管它們的價(jià)格在10，000至40，000美元之間， 墨菲預(yù)言，搜救機(jī)器人將成為美國(guó)消防部門的標(biāo)準(zhǔn)裝備。

（全美國(guó)消防部門的標(biāo)準(zhǔn)裝備。圖源：FEMA）

在接下來(lái)的11天中，應(yīng)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）工作隊(duì)或部門負(fù)責(zé)人的要求，小組將五次插入瓦礫堆中。墨菲（Murphy）的機(jī)器人所搜索范圍達(dá)100英尺，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了消防部門的7英尺相機(jī)棒。在這樣做的過(guò)程中，他們幫助找到了五名受害者和另一套遺體，盡管墨菲對(duì)自己沒(méi)有再成功表示遺憾。

2000年代：小型化和移動(dòng)性

隨著2000年代的發(fā)展，工程師努力使組件小型化，導(dǎo)致機(jī)器人的體積大大小于以前的機(jī)器人。RoboBee項(xiàng)目就是這種趨勢(shì)的一個(gè)令人震驚的例子，該項(xiàng)目于2009年獲得了NSF計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)與工程局頒發(fā)的“計(jì)算遠(yuǎn)征獎(jiǎng)”。

這次探險(xiǎn)的研究人員正在創(chuàng)造能夠自動(dòng)飛行的蜜蜂，并像真正的蜜蜂一樣協(xié)調(diào)它們與蜂巢之間的活動(dòng)。該研究小組旨在推動(dòng)對(duì)緊湊型高能電源，超低功耗計(jì)算以及多智能體系統(tǒng)分布式算法設(shè)計(jì)的研究。最近，RoboBees在致力于其復(fù)雜設(shè)計(jì)的展覽中為波士頓科學(xué)博物館的年輕人授獎(jiǎng)。

（受到蒼蠅生物學(xué)的啟發(fā)，它具有亞毫米級(jí)的解剖結(jié)構(gòu)和兩個(gè)極薄的機(jī)翼，幾乎每秒不可見(jiàn)地?cái)[動(dòng)，每秒120次，Robobee進(jìn)行了首次受控飛行。RoboBees經(jīng)過(guò)十年的努力，達(dá)到了垂直起飛，懸停和轉(zhuǎn)向的目的。圖片來(lái)源：Kevin Ma和Pakpong Chirarattananon）

2010年代：投資合作機(jī)器人

2011年6月，美國(guó)政府啟動(dòng)了國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃（NRI），以開(kāi)發(fā)可與人類一起或在人類旁邊工作的機(jī)器人，以利用人類和機(jī)器人的不同優(yōu)勢(shì)來(lái)擴(kuò)展或增強(qiáng)人類的能力，這為機(jī)器人技術(shù)研究提供了重點(diǎn)和資金。

NRI由NSF領(lǐng)導(dǎo)，并得到多個(gè)機(jī)構(gòu)的支持，包括國(guó)家航空航天局（NASA），美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH），美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）和美國(guó)國(guó)防部（DOD）。自2011年以來(lái)，NSF及其在NRI的合作伙伴已在機(jī)器人技術(shù)研究上投入了超過(guò)1.2億美元，同時(shí)，專業(yè)的機(jī)器人商業(yè)研究機(jī)構(gòu)和專利代理機(jī)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)，其中世界最為著名的機(jī)器人公司波士頓動(dòng)力最開(kāi)始就是國(guó)防部機(jī)器人商業(yè)化計(jì)劃的一個(gè)分支。

如今，機(jī)器人以多種方式影響著我們的生活。機(jī)器人正在全國(guó)各地的教室中使用，以捕捉學(xué)生的興奮并幫助他們學(xué)習(xí)STEM（和非STEM）原理。他們正在幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，為殘障人士提供幫助，并檢查橋梁和道路以確保我們的安全。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)前歷史學(xué)家馬克·羅滕伯格說(shuō)：“曾經(jīng)僅限于科幻小說(shuō)領(lǐng)域的機(jī)器人，如今已成為一種變革性技術(shù)，證明了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的基礎(chǔ)研究如何帶來(lái)人類生活的變化?！?/p>

盡管機(jī)器人可能是新興的研究領(lǐng)域，但當(dāng)今機(jī)器人的許多基礎(chǔ)都始于基礎(chǔ)研究，涉及傳感，計(jì)算機(jī)視覺(jué)，人工智能，機(jī)械工程和許多其他領(lǐng)域，有些領(lǐng)域可能不會(huì)立即被認(rèn)為與機(jī)器人有關(guān)。

下一步是什么

科學(xué)創(chuàng)新是一個(gè)種子，由NSF支持的研究人員在機(jī)器人技術(shù)方面取得了令人難以置信的進(jìn)步，他們創(chuàng)造了新一代的協(xié)作機(jī)器人，該機(jī)器人可以處理與人類接近的關(guān)鍵任務(wù)，并且比以前的智能機(jī)器具有更大的安全性和柔性。
責(zé)任編輯:pj

甚至目前人類也有了第一個(gè)人造機(jī)器人生物xenobots，在未來(lái)，和人類一樣的機(jī)器人或許再也不是一個(gè)夢(mèng)。