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  • 机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

    编者按,哈佛大学的科学家们正在努力推动新机器时代的到来,他们要让蜷缩在工厂角落的机器们成为我们生活的日常。当然,这些机器人会换变换其他形态示人。

    欢迎来到新的机器时代,各路才能迥异的科学家都能使用先进材料、廉价传感器、3D 打印和强大的电脑来助力机器人研发的脚步了。

    在上一个机器周期中,创新改变了我们的工厂和仓库,不过这些机器人更适合在可控的环境中工作,大多数时间游离在公共视野之外。对哈佛和全球其他地方的研究者来说,新的目标是让机器们在“主干道”上亮相。“在科幻小说里,这样的景象我们已经耳濡目染 50 多年了。” Robert Wood 说道,他是哈佛工程和应用科学教授。“不过,这样的机器人在哪呢?”

    次世代机器人肯定要广泛进入现实世界,它们不但要在森林和田地中跋涉去干重体力活,还要载着人们出行。当然,也少不了在厨房里做些家务。这可不是胡乱开脑洞的瞎猜,毕竟像亚马逊这样的零售巨头,已经开始着手用无人机送货了,而自动驾驶测试车也成了许多城市的新风景,能扫地拖地擦窗户的机器人也成了许多家庭的标配。

    不过,以上这些任务只是未来机器人的常规工作,在危急时刻它们还要做些精细的工作,如灾害搜救、帮残疾人重新奔跑、修复受伤的心脏,甚至还要替人类打仗。

    工程学教授 Robert Howe 就表示:“当然,现在我们已经掌握了不少技术,过去十年来的技术突破让我们能打造足够棒的机器人来解决现实问题了。”

    “我们已经造了许多大家根本意想不到的机器人”

    新势力推动者

    哈佛最近在机器人领域的一系列动作让这潭死水重新活了起来。大学教授 George Whitesides 就提到,他在柔性机器人上的突破就与哈佛在柔性材料物理学和微观流体上的成就密切相关。

    最早推动柔型机器人风潮的是日本研发人员,那还是在上世纪 90 年代。最近,Whitesides、Wood 和一些大学的创新重新让该领域动了起来,为新的设计和特性趟出了一条路,机器人不再是僵硬的齿轮和杠杆驱动的铁疙瘩了。

    “通过新材料的应用,我们替换了老式控制机构。” Whitesides 说道。说这番话时,他正手握一个长得像海星的橡胶夹钳,只要充满气,它就能牢牢抓住某个物体。“如果没有新材料和新技术,老式机器人根本没有革新之日。”

    研究人员的努力创造了各种天马行空的新型机器人,有些即使被车辆碾过,它们也能正常工作。此外,它们还用蠕动和爬行代替了滚动和生硬的前行。此外,这些机器人还连带促进了新制造工艺的发展,比如 3D 打印。更有趣的是,这些机器人成了《国家地理》杂志的内容生产利器,在海底收集到了大量前所未见的珊瑚。当然,创新也催生了大量新公司,新产品的商业化更是方便了包括农场、仓库和生产线在内的各行各业。

    “将创意转化成商品的过程也相当有趣。” Whitesides 说道。“机器人最先解决的问题是我意想不到的,而且整个商品化过程比我想象中要快得多。”

    哈佛大学技术发展办公室的 Sam Liss 指出,类似 Soft Robotics 这样的新创公司已经能提供相对简单的机器人研发方式了。

    “新创公司的结构已经相当成熟。”他说道。“仅仅几年而已,Soft Robotics、RightHand Robotics 和 Root Robotics 等公司就拔地而起了,未来肯定还会有更多公司加入其中。这样的转变对哈佛也是个启示,我们不但要重视研发,各院系还要集中精力将研发成果转化成有影响力的实际产品。

    哈佛机器人“势力”的野蛮生长主要靠鲍尔森工程和应用科学院,生物工程系也功不可没。教职工、学生和学会成员普遍反映,在机器人开发工具和设备上的大力投资对他们的工作影响颇深。

    “对我的工作来说,这些工具实在太重要了,学生们和博士后终于有趁手的家伙了。”Wood 说道。

    团队合作

    哈佛大学一直有个机器人专家核心团队,虽然只有十个人左右,但他们会定期进行交流合作。专家团队海陆空机器人通吃,只要它们能协助人类完成工作。当然,这些机器人也得反映出开发者的创新意识和思维。

    “我们已经造了许多大家根本意想不到的机器人”计算机科学教授 Radhika Nagpal 说道。“会飞的、能爬墙的、可穿戴的机器人都已经成了现实。现在的机器人可狂野得多,它们更像是动物,而非传统印象中的轮式车辆或金属骨架。

    这些机器人中的代表之一是 RoboBee,它由 Wood 一手开发,使用 Nagpel 的软件来控制。这个昆虫大小的飞行机器人不但能变身测量工具,还能在灾区、农业病虫害甚至战区采集数据和图片这么小的体型,传统的机械杠杆、齿轮等现成零部件完全用不上,它需要的可不只是天才设计师。

    “就拿 RoboBee 来说,它用的零件市场上可买不到。”Wood 说道。“我们得一切从头做起:新的制造工艺、启动器、传感装置、计算架构甚至能源存储都得一一攻克。另外,控制机器人动作的算法也是从零开始,之前的老经验都派不上用场了。虽然挑战多多,但我们真心喜欢这个过程,不仅是研发成功后的喜悦和各种新功能,还有整个过程中沉淀下来的新技术。”

    Wood 就举了个例子:飞行机器人用到的传感器和致动器就能移植到生物医学设备中,因为微创手术设备(如内窥镜)的“体型”可是相当重要。

    工程和应用科学教授 Walsh 指出,医学机器人颇受业内重视,主要原因就是它们对人类生活品质的积极影响。眼下,Walsh 的试验室正在打造柔性外骨骼套装,也许未来的一天,他们能让中风病人重新站起来,用自己的脚步丈量大自然。

    哈佛机器人系在医学机器人的研究上还有个得天独厚的优势,即哈佛医学院及其下属的 16 家医院和研究机构的支持,病人到底需要什么它们绝对心知肚明。

    举例来说,在美国国家卫生研究所的支持下,Howe 和波士顿儿童医院的儿科主管 Pierre Dupont 已经合作多年,他们要用机器人解决心脏外科手术。如果能取得成功,就能用微创手术代替现在痛苦的开胸手术了。

    “对病人来说这绝对是个福音,创伤和风险都要小得多。”Dupont 说道。“我们在做的,是临床医生原来想都不敢想的。”

    “我们想做的是能真正提升人类生活质量的产品”

    Walsh 还将柔性外骨骼的技术授权给了 ReWalk Robotics 公司,后者有计划今年推出用于临床试验的产品,并在五年内把概念变成商店里的商品。

    “我们想做的是能真正提升人类生活质量的产品”。Walsh 说道。

    Walsh 的研究成果能在医学上得到应用也有美国国防部高级研究计划局(DARPA)的一份功劳,虽然它们当初是想借外骨骼技术打造超级士兵。不过,现在该技术却成功下放到民用领域,不但能解决心脏外科手术,还有希望让脊柱受伤、中风病人重新站起来。

    “柔性系统概念的前提是它必须足够轻量化,没有限制性且对人的生物特性有最小的影响,它的作用就像肌肉。”Walsh 说道。“现在的问题是,这样的系统真的对人的移动能力产生积极作用吗?”

    从室内跑步机和长距离行军测试来看,其增强效果约为 15%。除此之外,Walsh 的团队还在测试中帮中风病人提高了行走效率,减少了肢体间的功能性不对称。未来,团队还有其他高山要翻越,比如对外骨骼套装进行轻量化,加大系统助力并保证套装与自然动作同步。

    行为问题

    除了要解决机器运动的问题,了解它们如何思考也同样重要,这也是哈佛大学研究人员一直在深思的问题。工程和计算科学助理教授 Scott Kuindersma 在增强控制系统上有自己的观点,他认为这样才能完整释放机器人的潜力。

    “在我看来,物理能力完全合格的机器人并不难造。”Kuindersma 说道。“不过这些机器人却无法实现自己的动态极限,在实际工作中也不够稳健。从根本上来讲,这是个计算的问题。”

    最近,Kuindersma 的敏捷机器人试验室迎来了名为 Cassie 的两足机器人,它看起来就像一只鸵鸟。Agility Robotics 公司设计的 Cassie 就是 Kuindersma 所说的物理能力完全合格的机器人。

    “Cassie 用的还是 Agility Robotics 的老式控制器。”Kuindersma 说道。“它到实验室后,我们做的第一个工作就是删掉这个控制器。随后,我们会开发新的算法,争取将机器人的运动能力推到极限,Cassie 将成为一个实验平台。如果一切顺利,未来我们将用它展示高速户外运动能力,而整个运动过程中 Cassie 将利用高频视觉传感器反馈来规划动态行走的动作。”

    “想想那些在山涧中跳跃的山羊,如果它们不能迅速决定把脚放到哪,恐怕就会坠落山崖,而在那种复杂的地形下选个落脚地可不容易。我们想做的就是让机器人也拥有像山羊一样的能力。”Kuindersma 说道。

    与 Kuindersma 专注于控制复杂动作的意图不同,Nagpal 更在意如何驱动复杂的群组行为。

    “我们的实验室一直有经由简单实现复杂的传统。”Nagpal 说道。“个体能力即使再强也有限制,因此我们更愿意靠群体的力量来实现目标,团队合作也是自然界中的通行规律。”

    “个体能力再强也有限制”

    为了实现自己的目标,Nagpal 在多地研究了擅长团队合作的动物,如纳米比亚的白蚁和巴拿马的军蚁,它们都是不需要进行中央调配就能完成挑战性十足任务的群居昆虫。

    “自然环境里就有典型范例,实现完美的合作不需要繁多的条件,我们也想复制这种模式。”Nagpal 说道。“如果能成功,我们就能用上大量并不复杂的零部件,它们之间的协作也不复杂,但照样能实现复杂的目标。”

    按照这一理念,Nagpal 开发了小型机器人 Kilobot,它只需遵循简单的指导方针,如位置和附近机器人的动作。组成集群后,Kilobot 们就能执行复杂任务了。在一次展示中,这些小家伙们排成了类似海星的队伍,但整个过程却不需要复杂的计算机大脑或控制系统。她的团队还在白蚁的启发下开发了一款机器人,组成集群后就能在用户指定区域工作。

    “我们可以设定相关规则,让它们总是能搭建正确的结构。”Nagpal 说道。“而且你不用管这个群体到底有 10 台还是 50 台机器人,这些机器人也无需知道同伴的位置,它们甚至不需要知道自己的具体任务。

    在 Nagpal 看来,这种能集群工作的机器人潜在应用场景很多,它们能快速做出灾害应对,如帮救灾人员垒起沙袋墙。加上环境传感器后,也能执行勘探任务。Nagpal 的试验室还开发出了机器鱼,这些廉价的机器人能充当海底探测器,替换昂贵的潜艇。

    Nagpal 指出,Kilobot 的诞生是技术快速发展的结果,新技术可不只是增加了新系统的复杂性,还大幅降低了成品零部件的价格。

    “我原本认为玩硬件就是浪费钱,因为当时一台机器人要价 10 万美元。”Nagpal 说道。“不过现在我改变想法了,因为机器人的成本已经降到了数百美元,我实验室里还有几千个成本只要 20 美元的小家伙呢。”

    Nagpal 已经将 Kilobot 的技术授权给了 K-Team(一家小型机器人制造商),现在全世界已经有 10 家试验室用上了 Kilobot,其中有两家甚至组建了规模达 1000 台的 Kilobot 集群。

    “Kilobot 创造了一个活力十足的研究领域,其他实验室用它打造的新系统我自己都不敢想象。”Nagpal 说道。

    章鱼一直是柔性机器人的灵感来源

    未来的创新者

    教授们努力开发新一代机器人的同时,大学生们也在不断积累知识和经验,他们将成为 21 世纪下半叶机器人开发的中坚力量。在这之后,还有无数的创新者正处在萌芽阶段,他们可能正在实习,也可能正通过哈佛的机器人俱乐部接触机器人或者坐在教室里听讲。如果你在哈佛的课程中搜索“机器人”这个词语,能得出包括微型机器人、人工智能、控制理论等多种多样的课程。

    “非正式机器人也正在成为设计和打造机器人的新范式。”哈佛设计学院讲师 Chuck Hoberman 说道。眼下,在高科技实验室做复杂庞大的机器人已经不再流行,学生拿起手边的日常材料配合廉价的计算机零件打造机器人才是新趋势。

    “哈佛开设此类课程主要是培养学生的发散思维。”Hoberman 说道。“看到学生的作品你肯定会非常惊讶,因为有的甚至只是纸片和塑料而已。不过,配上快速成型技术和一些市场上就能买到的电子元件,我们的学生能让一片纸在家中自由漫步,这片纸甚至还能根据周围环境改变自己的路线。见证奇迹的时刻就是设备打开的那一刻,对于年轻设计师来说这也是相当重要的经验。”

    在课堂之外学生们的动手能力也有不同程度的提高,去年哈佛本科生机器人俱乐部就解决了一系列的设计问题。俱乐部成员表示,虽然大家来自不同院系,精通计算机科学、机械工程和电子工程的大牛都有,但机器人是一个跨学科项目,因此大家必须齐心协力。

    年仅 17 岁的 Shaan Erickson 认为这个俱乐部对她的思路影响很大,未来她想在汽车行业一展才华。“它让我大开眼界,见识到了一个全新的领域,我愿意为它贡献自己的一份力量。”

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