什么是机器人？追溯机器人技术的演变和未来

作者： Aswin S Babu

什么是机器人？

在日常生活里，“机器人”一词我们都不陌生，日常交谈中也常常脱口而出。但大家可曾细想过，这个词的真正含义究竟为何？接下来，不妨花些时间，深入探究机器人的定义。机器人的定义，真如表面看起来那么简单直白？还是比我们所认为的更为复杂呢？

从本质上讲，机器人是一种可编程机器，能够感知、处理信息，并自主或在一定程度的人工指令引导下执行任务。与传统工具不同，机器人能够依据环境变化进行自我调适，常被用于执行重复性或危险的工作，让人类能够从这类工作中解放出来，从事更具创造性的工作。大众普遍存在一种认知误区，即认为机器人必然有着人类的外形（图 1），但实际情况并非总是如此。后续我们将深入探讨人形机器人，届时这个概念将得以具象化呈现。

快速回顾：机器人学的历史

从词源上看，“机器人”(Robot) 一词源于 1921 年捷克剧作者卡雷尔·恰佩克 (Karel Čapek) 的戏剧《罗素姆万能机器人》(Rossum’s Universal Robots)，其中“robot”一词源自捷克语“robota”，意为“强迫劳动”。不过，科幻小说作家艾萨克・阿西莫夫 (Isaac Asimov) 因创造了“机器人学”(robotic) 这一衍生词而广受赞誉。“机器人学”首次出现在阿西莫夫 1942 年发表的科幻小说《转圈圈》(Runaround) 中。《转圈圈》里还包含了阿西莫夫著名的[机器人学三定律] 。与诸多开创性技术相仿，机器人学也是从小说作品里获取灵感，逐步将充满想象力的概念转化为现实成果。

机器人学的一些突破

从虚构到现实，在工业革命期间，我们见证了迈向[自动机]的第一步，这是一种旨在简化重复性任务的机械装置。自动机的概念可以追溯到古代神话，例如希腊神话中的塔洛斯 (Talos)，他是一个青铜自动机械巨人。沃康松鸭（图 3）是一个令人印象深刻的自动机，这只机械鸟蹒跚着寻找食物，叼起种子，然后吞下。根本无法将它与真正的鸟区分开来。

图 3：沃康松鸭（自动机）的内部。（图片来源：《科学美国人》第 80 卷第 3 期，1899 年 1 月）

机器人学的真正突破出现在 1954 年，当时乔治·德沃尔 (George Devol) 创造了第一个可编程机器人 [Unimate] 。Unimate 的出现永远地改变了制造业，特别是汽车行业。

还记得 21 世纪初的 ASIMO 吗？Honda 的人形机器人让我们距离科幻梦想更近了一步。此外，我认为我们不能忘记世界上首位机器人公民，[索菲亚] ) (Sophia)。2017 年她被沙特阿拉伯授予公民权，创造了机器人领域的里程碑。Boston Dynamics 的 Atlas 机器人拥有先进的液压系统和 28 个自由度，展现出卓越的机动性，并彰显了机器人在危险环境中提供协助的潜力。

Boston Dynamics 的另一件杰出作品是 Spot（图 6），这是一款专为多功能性和适应性而打造的四足机器人。如今，借助 AI 和机器学习，机器人可以在复杂的环境中导航、做出决策，甚至从经验中学习。

图 6：Boston Dynamics Spot 机器人运行中。（图片来源：Boston Dynamics）

我们制造和使用的不同类型机器人

机器人可不只是工业豪门，或是未来主义概念，实际上，它们是能够在我们日常车间环境里大显身手的实用工具。以下是主要机器人类型的简要介绍。

1. ** 工业机器人：** 这些是工厂的主力军，负责焊接、喷漆和组装等任务。协作机器人，或称“cobot”，可以与人类一起安全地工作，使制造业更加灵活和安全。这些机器人有各种尺寸和能力，但主要属于机械臂类别（图 7）。对于您今天可以购买的机械臂机构的微型版本，请查看 [KUKA] 的 [AGILUS KR 6 R900-2 机器人套件] 。

图 7：工业机械臂组装气缸体。（图片来源：Kuka Robotics）

2. 服务机器人： 从吸尘到协助外科医生，服务机器人让生活更轻松、更高效。在医疗保健领域，它们甚至帮助医生进行精确的手术。达芬奇机器人手术系统可谓远程操控机器人手术领域的先驱 。
3. ** 移动机器人：** 这些机器人可以移动！想象一下，自主无人机、探测车，还有依靠轮子或机械腿行进的机器人，它们可以探索从仓储空间到火星表面的一切恶劣环境。这些机器人正在征服陆地、水域和天空。它们可以在各种模式下运行，例如手动遥控、有人值守遥控（可以避开障碍物但仍处于人类控制之下）或纯自主导航模式。

自主移动机器人 (AMR) 可以使用即时定位与地图构建 ([SLAM] ) 或基于地图的导航技术等高级算法自行移动。它们可以感知障碍物，利用地图找到最短路径，并绕过障碍物从 A 点移动到 B 点，整个过程无需人工干预。这些机器人甚至可以携带机械臂或其他工具来操纵周围的世界。阅读此[自主移动机器人]博客或观看此[视频]，以进一步了解相关信息。

4. ** 人形机器人：** 人形机器人是外形酷似人类的机器人。由于人类设计的一切事物都以人类外形为基础，因此这类机器人拥有更好地操控周围世界的优势。像 Boston Dynamics 的 Atlas、Honda Asimo 和索菲亚这样的人形机器人不仅外观炫酷，更突破了移动性和互动性的极限。虽然人形机器人仍处于发展阶段，但其潜在应用领域非常广泛，尤其是在护理、教育和家务自动化等领域。
5. 社交机器人 ： 这些机器人被设计用来在情感层面上与我们互动。它们是老人的陪伴者、孩子的导师，甚至是客户服务助手。它们将 AI 与类人行为相结合的方式令人难以置信。一些社交机器人可能也属于人形机器人，但这不是必需的。

除了这些更广泛的分类外，还有群体机器人、软机器人、人形机甲和机械假肢等其他一些机器人系统。群体机器人是一种可以大群体协同工作的微型机器人，模仿蚂蚁或蜜蜂等群居昆虫的行为来完成复杂的任务。软机器人由柔性材料制成，可以在狭小的空间中穿行，并能安全地与人类互动。人形机甲是一种可穿戴的机器人套装，可以增强人类的力量和机动性，常用于康复和工业环境。机械假肢是一种先进的假肢，能够帮助截肢者恢复肢体功能，提升他们的生活质量。

机器人学如何改变我们的世界？

机器人已经对我们的生活产生了巨大的影响。在制造业，它们极大地简化了生产流程，让工作场所变得更加安全。在医疗保健领域，从手术到康复，机器人的身影无处不在。农业是机器人正在加强的另一个领域，能够完成自动化种植、收割和监测农作物等任务，为全球粮食供应提供保障。

还有一点不能忘记，就是机器人在危险环境中所扮演的至关重要的救生角色。机器人可以拆除炸弹、探索深海海沟，甚至管理核材料。

机器人学所面临的挑战

当然，事情并非一帆风顺。我们仍然面临一些重大挑战：

• 机动性和灵活性： 让机器人像人类一样移动或在复杂的地形中行走并不容易。工程师们一直在努力提高它们的平衡性、灵活性和控制力。是的，在使机器人能够穿越人类可以穿越的所有不同地形（例如雪地、水坑、高山和楼梯）方面，我们仍然存在挑战。然而，如果我们回顾历史，即使是用两只脚走路，对机器人来说也曾是一个挑战。但现在我们有了像“Atlas”这样的机器人，可以跑酷（图 11）和后空翻。因此，我们正在朝着既定目标稳步前行，毋庸置疑，在不久的将来，我们必将目睹一款能够自主且自如地在各类地形中畅行无阻的机器人诞生。

图 11：Boston Dynamics 的 Atlas 机器人正在进行跑酷运动。（图片来源：Boston Dynamics）

感知和快速决策： 机器人需要处理感官数据并在瞬间做出决策。自动驾驶汽车就是一个很好的例子，它们需要检测障碍物并准确预测其运动。这是一个棘手的问题，但我们正在取得进展。5G 和低延迟网络的进步确实为远程处理开辟了新的可能性，使机器人得以将自身无法承载的复杂运算任务，卸载至运算能力更为强大的外部硬件上。

道德考虑： 随着机器人变得越来越普遍，我们需要从大局进行考虑。我们该如何应对工作岗位流失、隐私问题以及 AI 的道德使用？机器超越人类智能的[技术奇点后] 是福是祸，我们仍不完全清楚。一方面，人们担心 AI 末日来临，不受控制的超级智能机器可能会对人类的生存构成威胁。另一方面，人们希望人工智能能够成为良性伙伴，帮助解决气候危机等关键问题。未来仍不确定，很大程度上取决于我们如何开发和监管这些先进技术。

机器人学的下一步是什么？

未来看起来令人兴奋。我们正迈向这样一个世界：机器人成为我们全方位的合作伙伴。从工作场所协助和探索未知领域到提供娱乐和陪伴，可能性无穷无尽。

• 更智能的 AI： 机器学习正在释放新的能力。未来的机器人将处理更复杂的任务，甚至创造性地解决问题。想象一下，机器人每次与您合作时都会学习并进步！
• 人机协作： 未来的车间将看到机器人和人类并肩工作，各展所长。协作机器人 (Cobot) 将处理重复性或危险性任务，让我们专注于创造性和战略性的工作。
• 太空探索： 机器人已经在探索火星，而这仅仅是个开始。有朝一日，机器人可能会帮助在其他星球上建造建筑。那得有多酷？

最终思考：我们为什么要制造机器人

机器人不仅仅是机器，还是人类智慧和创造力的证明。无论您是刚刚起步还是不断突破可能的界限，机器人学都能提供无限的学习、创新和改变机会。因此，让我们继续投身创造、试验和梦想，同时对这些发展的未来影响负责。无限可能等待我们去开启，希望最好的还在后头。