【摘要】 “機(jī)器人”作為專有名詞加以引用只有幾十年的歷史，但是機(jī)器人的概念存在于人類的想象中已有約三千多年的歷史了。近年來(lái)，機(jī)器人的研究與應(yīng)用取得了空前的發(fā)展，機(jī)器人的時(shí)代已漸行漸近。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)提高創(chuàng)新能力、增強(qiáng)國(guó)家綜合實(shí)力、帶動(dòng)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重要的意義，機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用已成為塑造創(chuàng)新發(fā)展新優(yōu)勢(shì)的“必爭(zhēng)之地”。人工智能和莫拉維克悖論是制約當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展兩大瓶頸。當(dāng)前人工智能研究的難點(diǎn)不僅在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，更多的是在深層次對(duì)認(rèn)知的解釋與構(gòu)建方面。莫拉維克悖論則說(shuō)明，最難以復(fù)刻的人類技能是那些無(wú)意識(shí)的技能。機(jī)器人的發(fā)展也引起了一些顧慮，包括安全問(wèn)題、恐怖谷理論和機(jī)器人威脅論等。當(dāng)今乃至可見(jiàn)的未來(lái)，人與機(jī)器人之間的關(guān)系不應(yīng)該是取代而是共存，未來(lái)的世界可能是人與機(jī)器人共在。
【關(guān)鍵詞】 機(jī)器人 人工智能 莫拉維克悖論 恐怖谷 認(rèn)知科學(xué)
【中圖分類號(hào)】F752 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2016.15.003
引言
近年來(lái)，隨著高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能感知、人工智能、新材料等技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的研究與應(yīng)用取得了空前的發(fā)展，已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工業(yè)中，現(xiàn)在又開(kāi)始進(jìn)入人們的日常生活。無(wú)論人們是歡迎還是擔(dān)憂，機(jī)器人的時(shí)代已漸行漸近。
機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)提高創(chuàng)新能力、增強(qiáng)國(guó)家綜合實(shí)力、帶動(dòng)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重要的意義。世界主要大國(guó)都將機(jī)器人的研究與應(yīng)用擺在本國(guó)科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。2011年，美國(guó)推出國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃（National Robotics Initiative, NRI）；2012年，韓國(guó)發(fā)布《機(jī)器人未來(lái)戰(zhàn)略2022》；2014年，歐盟啟動(dòng)“SPARC計(jì)劃”；2015年，日本發(fā)布《機(jī)器人新戰(zhàn)略》（Japan's Robot Strategy），縱觀這些主要國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略，機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用已成為塑造創(chuàng)新發(fā)展新優(yōu)勢(shì)的“必爭(zhēng)之地”。
同樣，在我國(guó)無(wú)論是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略還是“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都是重要內(nèi)容。今年（2016年）4月，我國(guó)發(fā)布了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年），對(duì)機(jī)器人作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域作出總體部署，以推進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展。
機(jī)器人的定義與分類
“機(jī)器人（Robot）”一詞出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)。1921年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（Karel Capek, 1890-1938）創(chuàng)作了科幻舞臺(tái)劇《羅素姆的萬(wàn)能機(jī)器人》（Rossum'sUniveral Robots），劇本中首次使用了機(jī)器人的英文“Robot”一詞。“Robot”這個(gè)詞來(lái)源于捷克單詞“Robota”，意為“努力工作”或“奴役”。
機(jī)器人三定律。在卡雷爾·恰佩克創(chuàng)造機(jī)器人（Robot）一詞21年后，著名科幻小說(shuō)家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在于1942年發(fā)表的作品《我，機(jī)器人》（I, Robots）中第一次明確提出了“機(jī)器人三定律”（Three Laws of Robotics）。即：（1）機(jī)器人不得傷害人類，或因不作為（袖手旁觀）使人類受到傷害；（2）除非違背第一法則，機(jī)器人必須服從人類的命令；（3）在不違背第一及第二法則下，機(jī)器人必須保護(hù)自己。
“機(jī)器人三定律”只是一個(gè)文學(xué)概念，并不是一個(gè)嚴(yán)密科學(xué)的定律，內(nèi)部各法則之間也有對(duì)抗性，現(xiàn)實(shí)中在人工智能安全研究和機(jī)器人倫理學(xué)領(lǐng)域的很多專家并不認(rèn)可它，沒(méi)有人將它作為指導(dǎo)方案。甚至，即便在阿西莫夫自己的科幻小說(shuō)里它也會(huì)出問(wèn)題。但是，“機(jī)器人三定律”仍然在媒體、網(wǎng)絡(luò)和科幻愛(ài)好者群體中產(chǎn)生了廣泛的影響，很多人對(duì)機(jī)器人最初的認(rèn)識(shí)都是伴隨著“機(jī)器人三定律”而來(lái)的。
機(jī)器人的定義。各國(guó)相關(guān)組織機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人的定義主要有以下幾種：
（1）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的定義：機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手”。
（2）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的定義：工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器”。
（3）美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。
（4）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義：機(jī)器人是“一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。
在我國(guó)，對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。”
機(jī)器人的分類。機(jī)器人定義上的模糊和多樣，使得機(jī)器人在分類上也有很多方法。常見(jiàn)的有按運(yùn)動(dòng)方式、智能程度、按機(jī)器人用途分類。
按機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式分類可以分為：固定式機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人，移動(dòng)機(jī)器人又可以分為：輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足式機(jī)器人、飛行機(jī)器人、水下機(jī)器人等。
按機(jī)器人智能程度可以分為：一般機(jī)器人、智能機(jī)器人。智能機(jī)器人根據(jù)其智能水平又可分為：傳感型機(jī)器人、半自主機(jī)器人、自主型機(jī)器人。按用途分類是根據(jù)不同的應(yīng)用行業(yè)和工作任務(wù)進(jìn)行分類，是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)最常用也是最常見(jiàn)的分類方法。一般可以分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。
機(jī)器人的歷史
盡管“機(jī)器人”作為專有名詞加以引用只有幾十年的歷史，但是機(jī)器人的概念存在于人類的想象中已有約三千多年的歷史了。
中國(guó)古代的機(jī)器人。我國(guó)古代最早關(guān)于機(jī)器人的記錄是《列子·湯問(wèn)篇》中“能倡者”的故事：工匠偃師給周穆王獻(xiàn)上了一個(gè)木偶，木偶外表看起來(lái)和人類完全一樣。《北史·列傳卷七十一》記載隋煬帝為了與寵臣柳?隨時(shí)相見(jiàn)，便令人模仿他的模樣造了一個(gè)“偶人”。唐朝《朝野僉載》中記載一個(gè)可以行乞的木僧，木僧可以發(fā)出聲音，寬泛的說(shuō)，這可以算作具有“語(yǔ)音”功能的“機(jī)器人”了。
其它類似記載還有很多，如《三國(guó)志·諸葛亮傳》中的木牛流馬、《墨子·魯問(wèn)》中公輸子削木為鵲的故事，等等。雖然古籍中對(duì)這些機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有詳細(xì)介紹，很有可能只是古人虛構(gòu)的作品，但卻表明了古人對(duì)機(jī)器人的豐富想象。
國(guó)外古代的機(jī)器人。國(guó)外有關(guān)機(jī)器人的記載可以追溯到古希臘，據(jù)荷馬史詩(shī)《伊利亞特》記載，火神兼匠神赫淮斯托斯（Hephaistus）創(chuàng)造出了一組金制機(jī)械助手。他的這些機(jī)械助手身體強(qiáng)健、可以說(shuō)話，且非常聰明。
文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci）設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械騎士，也就是著名的達(dá)芬奇機(jī)器人（Leonardo's Robot），也叫日耳曼裝甲騎士。這個(gè)機(jī)器人被設(shè)計(jì)成一個(gè)騎士的模樣，可以做出一些動(dòng)作，包括坐起、揮動(dòng)胳膊、搖頭及張閉嘴巴等。后來(lái)人們根據(jù)達(dá)芬奇的手稿，復(fù)制了達(dá)芬奇機(jī)器人。
18世紀(jì)后期，瑞士鐘表名家德羅及其兒子和徒弟，分別制造了3個(gè)小機(jī)器：寫(xiě)字人偶、繪圖人偶、彈風(fēng)琴人偶。現(xiàn)在它們還被收藏于瑞士那切特爾藝術(shù)與歷史博物館中。
近代機(jī)器人。1954年，美國(guó)發(fā)明家喬治·德沃爾（GeorgeDevol）申請(qǐng)了一項(xiàng)關(guān)于可編程通用自動(dòng)化設(shè)備的專利，德沃爾的專利第一次實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式可編程機(jī)器人，標(biāo)志著現(xiàn)代機(jī)器人工業(yè)的建立。后來(lái)，德沃爾同他的合作伙伴約瑟夫·恩格爾伯格（Joseph Engel Berger）創(chuàng)建了世界上第一家機(jī)器人企業(yè)Unimation。1962年，NormanHeroux根據(jù)上述專利制造了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate，這臺(tái)機(jī)器人首先應(yīng)用在了通用汽車的裝配生產(chǎn)線上。同年，美國(guó)機(jī)床鑄造公司（AMF）研制出了Verstran機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂可以繞底座旋轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降或沿半徑方向伸縮。它們的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由機(jī)械臂組成。Unimate和Versatran是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人，人類社會(huì)從此邁入了機(jī)器人時(shí)代。
1960年代，傳感器開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。1966年，斯坦福大學(xué)研究所人工智能研究中心開(kāi)始研制世界上第一臺(tái)具有自主能力移動(dòng)機(jī)器人——Shakey。Shakey于1972年研制成功，綜合了機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等方面的知識(shí)，是第一臺(tái)混合了邏輯推理和物理動(dòng)作的機(jī)器人，開(kāi)創(chuàng)了許多先例。
進(jìn)入20世紀(jì)70年代，人工智能開(kāi)始與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，一方面，機(jī)器人為人工智能提供了一個(gè)很好的試驗(yàn)平臺(tái)和應(yīng)用領(lǐng)域；另一方面，人工智能也讓機(jī)器人的功能和運(yùn)行更加智能。隨著自動(dòng)控制理論、機(jī)電技術(shù)及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。1974年，CincinnatiMilacron公司推出第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，命名為“The Tomorrow Tool”，可以舉起45.36kg重的物體，并可以跟蹤裝配線上的移動(dòng)物體。1975年，IBM公司研制出一個(gè)帶有觸覺(jué)和力覺(jué)傳感器的機(jī)械手，由計(jì)算機(jī)控制，可以完成有20個(gè)零件的打字機(jī)機(jī)械裝配工作。
機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀。進(jìn)入21世紀(jì)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展逐漸趨向成熟，而服務(wù)機(jī)器人則持續(xù)快速發(fā)展，受到越來(lái)越多的關(guān)注。在仿人機(jī)器人、仿生機(jī)器人、家用機(jī)器人等方面都取得了重要進(jìn)展。
在仿人機(jī)器人方面，日本本田公司于2000年發(fā)布了首款仿人機(jī)器人ASIMO，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和升級(jí)，2011版ASIMO已經(jīng)可以同時(shí)與多人進(jìn)行對(duì)話，遭遇其他正在行動(dòng)中的人時(shí)，ASIMO會(huì)預(yù)測(cè)對(duì)方行進(jìn)方向及速度，自行預(yù)先計(jì)算替代路線以免與對(duì)方相撞?？梢圆叫?、奔跑、倒退走，還可以單腳跳躍、雙腳跳躍，也可以在些微不平的地面行走，甚至能邊跳躍邊變換方向。奔跑速度可以達(dá)到9km/h。它的手可轉(zhuǎn)開(kāi)水瓶、握住紙杯、進(jìn)行倒水，手指動(dòng)作更纖細(xì)，甚至可以邊說(shuō)話邊以手語(yǔ)表現(xiàn)說(shuō)話內(nèi)容。
其他的人形機(jī)器人還有很多，例如波士頓動(dòng)力公司2013年發(fā)布的雙足人形機(jī)器人Atlas，它有四個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的四肢。Atlas由航空級(jí)鋁和鈦建造，身高約6英尺（1.8米）高，重達(dá)330磅（150公斤），藍(lán)光LED照明。它配備了兩個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)——一個(gè)激光測(cè)距儀和一個(gè)立體照相機(jī)，由一個(gè)機(jī)載電腦控制。它的手具有精細(xì)動(dòng)作技能，它的四肢共擁有28度的自由度。2013年的原型版本被系鏈到外部電源來(lái)保持穩(wěn)定，Atlas可以在崎嶇的地形行走和攀登獨(dú)立使用其胳膊和腿。Atlas參加了由國(guó)防高等研究計(jì)劃署（DARPA）舉辦的機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，一同參加比賽的還有很多其它研究團(tuán)隊(duì)的人形機(jī)器人，它們都具有很高的研究水平。
在仿生機(jī)器人方面，與Atlas同出自波士頓動(dòng)力公司的四足仿生機(jī)器人BigDog同樣取得了巨大的成就。它沒(méi)有車輪或者履帶，而是采用四條機(jī)械腿來(lái)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械腿上面有各種傳感器，包括關(guān)節(jié)位置和接觸地面的部位。它還有一個(gè)激光回轉(zhuǎn)儀，以及一套立體視覺(jué)系統(tǒng)。BigDog有1米長(zhǎng)，0.7米高，75千克重，幾乎相當(dāng)于一頭小騾子的體積。目前能夠以每小時(shí)5.3公里的速度穿越粗糙地形，并且負(fù)載154千克的重量。它還能夠爬行35度的斜坡。其運(yùn)動(dòng)是由裝載在機(jī)身上的計(jì)算機(jī)控制的，這臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠接收機(jī)器上各種傳感器傳達(dá)的信號(hào)，導(dǎo)航和平衡也由這個(gè)控制系統(tǒng)控制。
在醫(yī)療機(jī)器人方面，2000年左右研制成功并使用的達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)（Leonardo Da Vincisurgical robot）是一種高級(jí)機(jī)器人平臺(tái)，它可以通過(guò)使用微創(chuàng)的方法，實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)。它由三部分組成：外科醫(yī)生控制臺(tái)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)。達(dá)芬奇機(jī)器人的使用，使手術(shù)精確度大大增加，術(shù)后恢復(fù)加快，并減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量。
在家用服務(wù)機(jī)器人方面，自20世紀(jì)末研制出第一臺(tái)掃地機(jī)器人以來(lái)，已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域里面產(chǎn)業(yè)化程度最高和應(yīng)用最多的機(jī)器人，其技術(shù)也從之前的隨機(jī)清掃方式進(jìn)化到路徑規(guī)劃式清掃，為人們的生活帶來(lái)了巨大的便利。
