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分类: 科技

“那些将改变世界的机器人”之一:机器人简史

弗兰克·拉扎格 / 工程师、Humanoides.fr 创始人兼主编 / 2014-10-10

机器人已经无处不在:自动吸尘器、全球定位系统、穿梭在巴黎地铁车站的自动列车、网络搜索引擎……这场进化究竟始于何时?其早期的发展阶段是怎样的光景?未来又会将其带向何处?

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要准确找出生物体立体仿制品的历史源头着实困难。目前已有的最早迹象,是发现于欧洲的旧石器时代(公元前32000年-28000年)留下的一些动物和女性形体模型,多由象牙、石块或者骨头制成。

机械之始:水钟与其他  

在新石器时代,人类学会利用一些简单的机械原理,可谓一大跃进。面具与雕像盛行,铰链连接技术是关键。点燃圣火,空气膨胀,便可推动滑轮与绳索工作;提高水量使之流动便可排水。在古埃及,人们将雕像视为逝者灵魂转世重回的载体。公元前800年时的一座雕像刻画的是阿蒙神伸出手臂的样子,在卢浮宫中也珍藏了一个带有铰链设计的图腾面具,上面印有长着胡狼头的阿努比斯。

以此为灵感,巴比伦人发明了可能是史上首个全机械装置,称为漏壶或水钟。它的工作原理是让水逐渐从一个器皿流向另一个,抬高指针指示时间。公元前246年,埃及的克特西比乌斯改良了这一液压装置,发明了史上首个全自动仪器,上面带有钟面,可以准确根据阳历记时。

亚里士多德(公元前384年-322年)在研究了自动系统的概念之后,将工程学的理论基础进一步强化。“如果每个工具都能根据或预测他人的意愿行事,完成本职,……,那织布机会自动编织衣物;琴拨可以自动奏响里拉琴,工头也不用找仆人,主人也不再需要奴隶。” 高贵的人可以摆脱单调乏味的工作,用好自己的知识与智慧,努力成为称职公民。(《政治学》)

亚里士多德在2000多年前就力推的想法仍然适用于当今的机器人技术革新。也差不多在同一时间,公认的史上首个机械装置——木鸽子诞生了。根据格利乌斯与法沃里努斯的记载,这一开创先河的仪器由柏拉图的一名挚友阿尔库塔斯于公元前380年发明。这一自我驱动的木头装置内部设计精妙,通过压缩的蒸汽运作并飞行。

然而,一直到了公元1世纪,亚历山大里亚的希罗才提出了更为完整的机器人构想。他刻苦钻研工程学及数学,发明了热驱的气转球以及会喝水的鸟型铜器。尽管他当时的作品在现代人的眼里不值一提,却足以载入史册。他在数学与物理方面的建树也鼓舞了无数的追随者,深刻影响了9世纪之后的阿拉伯世界。

人性的注入

公元850年,巴努穆萨三兄弟发表著作《精巧机械手册》,使机器人在阿拉伯半岛上风靡一时。工程师加扎利发明了一系列让人叹为观止的计时仪器,他登峰造极的能工巧艺也将机械制造的浪潮推入了11世纪。

时钟可以准时提醒人们祈祷,实用的同时还能作为馈赠外邦的佳品。公元807年,阿拔斯王朝的哈伦·拉希德向法兰克王国的查理大帝赠送了一只铜质的自动时钟,享誉一时。在后来的几个世纪内,除了在细节上更显华丽气派之外,钟表在其他方面和希罗最初的设计几乎如出一辙。这种装饰风在中世纪达到了顶峰。人们开始在钟塔的顶端装上一些活泼的玩意儿,每到整点时金属锤子便会开始敲打,就像这些玩意儿在报时一样。这些叫雅克马尔的机械品多由铜、铁或其他金属制成,在斯特拉斯堡主教堂和克吕尼隐修院中就收藏有两座十分具有代表性的作品。

在整个文艺复兴期间,人们对机械设备愈发心驰神往,机器人也成为了有钱人的玩具。圣日尔曼昂莱城堡内修葺了一座生机勃勃的花园,园中的山洞藏着各种液压驱动的新奇玩意儿。托马斯·弗兰基尼与莱昂纳多·达芬奇皆为当时的艺术巨匠,他们在机械方面的造诣也为之后启蒙运动时期的名家雅卡尔·德·沃康桑开启了思想之门。

沃康桑的发明再次突破了人类的极限。他发明的“消化鸭”名噪一时。这只全机械的鸭子能喝能吃,会叫会游,连消化系统与真鸭也并无二致。装置的主体是一个雕花圆柱体,内置复杂杠杆结构,长度及腿,并可通过程序操作。“消化鸭”置于一个精美的架子之上,支架由穿孔铜板制成,允许人们可以一窥鸭身内部工作时的复杂工序。尽管当时有人质疑,沃康桑到底有否成功设计出任何准确体现人形的机器,但这并不影响他一举成为新型机械品发明家族中的魁首。

消化鸭,沃康桑,1738年

19世纪末期,对于机械品的狂热已经散布到全世界。不论是大阪的机械玩偶还是巴黎行宫中各种魔术把戏,仪器运作原理的复杂程度节节攀升。

机器人的诞生

1854年,一名从教于爱尔兰科克皇后学院的教授通过布尔代数,基于0和1的两位数字,完成了从简单上色的机械制品到真正机器人的关键转变,并为一个世纪后电脑的出现奠定了基础。

跨入20世纪,“机器人”这个词语首次跃上纸面,捷克作家卡雷尔·恰佩克于1920年出版了科幻题材作品《罗素姆的万能机器人》 。机器人(robot)这个词的来源还要归功于斯拉夫人。“rabota”这个词在斯拉夫语中意思是封建时期的苦力。现代波兰语和斯洛伐克语中“robotnik”这个词意指劳力,也是由此引申。不过,恰佩克所描写的机器人实质上是一个所谓“赛博格”的半机械人,一半天然,一半人造,并非纯机械产物。

是在1941年发表的短篇小说《撒谎的人》当中,艾萨克·阿西莫夫第一次使用“机器人的”(robotics)这个词。小说中,作家还尝试突破自己所设的机器人三定律。

的确,1940年代电子产品与电脑数码蓬勃发展,也成功塑造了机器人技术的发展轨迹。早在1936年,艾伦·图灵就已经提出:“机器能否实现自我思考?” 图灵在他的重要论文《论可计算数及其在判定问题上的应用》里设想了一个高速处理大量信息的系统。许多数学家与计算机科学家也纷纷加入该研究行列。卡内基梅隆大学的司马贺于1956年发明了一台计算机,印证了多条数学定律。他不仅回答了图灵提出的问题,同时也证明,没有生命的机器也可以逻辑思考,为人工智能(Artificial Intelligence)的崛起铺平了道路。与他共同参与研究的有艾伦·纽厄尔。研究使用了两组可以模拟人类解决问题的精妙复杂程序。心理学的进步在其中功不可没。

与此同时,科学家们也在紧锣密鼓地商谈,酝酿设立数个组织。其中的一个组织便成功召开了梅西会议。1942年到1953年共召开十次年会。来自数学、逻辑学、人类学、心理学和经济学的学界精英共赴纽约,济济一堂,讨论制定科学研究的规则——认知科学。现代控制论从很多方面来看,都深受这些会议论坛的影响,来自麻省理工大学的教授诺伯特·维纳也通过自己的著作《控制论:或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》在会议过程中获得不少影响力。规则的出现回应了人们的需求,为自然和人工交流系统提供了一般科学解释,并成为实现机器自动控制的一种途径。

控制论通过更好理解对控制权执行的过程得以提升。为了研究动物行为,威廉·格雷·沃尔特设计了一种移动的龟型机器载体。此后,理论转变成了现实。他的后代——埃尔西与艾尔马继承了衣钵,并使用了可根据光源进行调整的光电遥感器继续研究。

第一代机器人:机械手臂大显其能

人工智能的使用渐渐得以普及,技术方面的进步也开始惠及整个工业界。首先得益的是能源行业。雷蒙德·高尔兹为法国原子能委员会设计了遥控手腕;汽车行业紧随其后。1962年,通用汽车购入了史上首个工业机器人,并至于新泽西的工厂使用。乔治·德沃尔和约瑟夫·恩格尔伯格发明了带有两个盒子的机械手臂。他们将其命名为Unimate001——也就是“通用自动化”(Universal Automation)的缩写。这个两吨重的庞然大物受代码控制,在通用汽车位于特伦顿的压铸工厂内负责排序堆放滚烫金属板的工作。

Unimate 001, 1962年

 

来自麻省理工和斯坦福大学的研究人员自行研发生产出了机械手臂,帮助美国一跃成为全球首屈一指的机器人大国。在随后的30年,美国也一直占据着这把宝座。包括美国机械和铸造公司 、Tralfa和Vicarm等机器人公司纷纷生产各色专业机器人,完成诸如焊接与喷绘等工作。

来自远东的竞争者也不甘示弱。二十世纪八十年代末,日本政府大力扶持机器人产业,推行优惠政策,包括川崎在内的机器人公司也因此得以大规模生产液压臂。

当美国人还在自省是否要为机器人带来的道德影响进行反思时,日本已经迈开步伐,积极追赶,于1971年成立了由46个成员组成的贸易协会,推广行业合作与发展。协会总部位于东京,日本欲在十年之内成为全球领袖的野心昭然若揭。

第二代机器人:智能为先

美国人越来越多的担心给他们带来了另一个棘手的问题:人类会否终有一日被机器取代,甚至超越? 机器是否可能倒戈相向,对付它们的发明者? 包括吉尔伯特·赖尔和休伯特·德雷福斯在内的社会批评家极力反对这种天马行空的理论。而司马贺就大胆预测,到1985年,“机器便可完全胜任人类所有的工作。” 导演斯坦利·库布里克在他的影片《2001太空漫游》中描绘了令人不可思议的哈尔9000,观影者无不感到跼蹙,根本无法平复本来就已惴惴不安的心情。

工业界的机器人设计精良、可靠耐用。但它们毕竟不是活物,几乎没有能力适应周边环境的变化。而这种局限让人类从六十年代开始探索全新的研究方法。发明家们开始通过编程,设计出可移动机器。因为感应技术的问世,机器便可在不同的场景下做出相应的变化。

最初,这些机器人的外形就像是由部件拼接起来的大机器。在朝不同方向行进时,它们能够通过摄像头、雷达传感器以及感应设备侦测周边的环境。

最早一批在移动平台上进行试验的机器人穿梭在斯坦福大学和约翰·霍普金斯大学(巴尔的摩)的实验室走廊里,科学家们给它们起的都是像Cart、Beast、或Shakey这样的教会名字。这些试验品体型笨重无比,可能要花上数小时才能完成最简单的任务。

Shakey,1966

第三代机器人:机器大解放

随着1970年代微处理器和微计算的出现,机器人又向真正的人工智能迈出了坚实一步。计算机主板的设计更易操作,1984年问世的程序语言“Robot Basic”也大大提高了软件水平。

这些已经具备了“思考能力”的机器不用再受制于外部环境,可以通过摄像头、感应设备、软件以及制动器随机应变。它们已经具备了适应环境的能力,甚至还能随时改编程序。

史上首个真正做到能说会走的机器人是由早稻田大学发明的Wabot-1机器人。它可以行动,会搬运物品,甚至还能用日语简单对话。但是,通过外形我们只能勉强辨认出机器人是根据人形设计的。不过,这并不影响机器人的重要性。

Wabot-1机器人,1973

 

顶级尖端的技术已经在这里实现,机器人也得到了极大的普及。几乎每个行业都能看到机器人忙碌的身影。机器人的表现(操作、行为、准度、自主性……)也在创新的洪流中稳步改进。比如说,近期人们发现了石墨烯这种物质,在机器人电池中加入石墨烯,续航能力完全可以超出现存所有技术。这样,机器人的自主性、充电时间和生态足迹问题(石墨烯可进行生物降解)得到了一次性的解决。

下一代机器人:超越人类?

移动设备的遍地开花将各种技术全部浓缩在我们的小口袋当中。而正是这种熟悉度会让我们轻易忽略机器人未来发展的关键:微型化与连接性。

纳米技术的出现助力电子部件以更快的速度向微型化发展。电脑处理器的尺寸皆以纳米为单位,英特尔公司出品的酷睿i3/i5/i7系列处理器的大小只有22纳米。如此迷你的处理器使得研究人员已经大胆提出了量子计算机的想法。它们的工作原理就是,最基本计算单位“量子比特”已经不局限于1或0,而是可以输入许多叠加态。态的叠加使量子比特的数量急剧上升,从而产生超强计算能力。

树莓派也是另一个不可小觑的发明。处理器技术的成熟使得这一只有信用卡大小的计算机提供了开源解决方法。其销量每秒近千台,只要花上35美金,任何计算机爱好者就能够设计生产自己的机器人,并赋予其多种功能,为后人提供便利。

再来谈谈连接性。这个世界已经做到了永续联网,我们的探索才刚刚开始。诸如无线局域网、4G网络、无限城域网、蓝牙和无线射频识别等协议可以让发明家们将代码“织入”作品之中。智能手机的大规模推广也使得部分机器人具备了挖掘资源的能力。比如说,人们可以通过下载手机应用来控制一条仿生手臂;手握安卓设备,就可以让机器人模仿手部的移动姿势(点击观看视频)。

互联网的兴起为人类与信息的关系和旧习惯带来了翻天覆地的变化。我们是永续相连的,都是信息生态系统的一员,消费的同时也在创造。有了这些功能强大的机器人,我们也拥有了处理更多数据的能力,从而创造出一种无所不能的智能——许多人此刻想到了Google公司——也许在将来的某一天,Google会附刻在电子芯片上,植入人类的体中……

对于“超人类主义运动”的界定十分模糊不清。该思潮也让人类对科技的未来更为心驰神往,强化了对“超人类主义”的追求。我的建议是,社会要继续进步,学会与不断强大的机器人和平共处。它们可能终有一日会发展成一种人类与机械的混合体。如今对未来科技创新发展之路的预测甚嚣尘上,我们在朝未知世界进发时,也有必要谨终慎始,并对道德问题进行一场深入大讨论。



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