從《機(jī)器猛犬》看仿生機(jī)器人技術(shù)

科幻電影《機(jī)器猛犬》給我們展示了一只全身都是高科技裝備，但卻擁有一顆真正狗狗心臟的機(jī)器狗“A-X-L”。它擁有機(jī)械的身體、強(qiáng)大的武器，但卻和真正的寵物狗一樣善解人意、溫順忠誠(chéng)。那么，電影中的這種仿生機(jī)器狗會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎？現(xiàn)在的仿生機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出了哪些讓人耳目一新的裝備呢？

人機(jī)溝通

考古學(xué)工作者研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)家犬的馴化至少有8000 余年的歷史。我們的祖先很早就已經(jīng)用狗來(lái)狩獵、放牧以及看家護(hù)院，狗的順從和忠實(shí)贏得了我們的信任，所以狗是人類(lèi)的好朋友。

然而，也正因?yàn)槿绱?，從古代開(kāi)始狗也就出現(xiàn)在了人類(lèi)的戰(zhàn)爭(zhēng)當(dāng)中。古代哨兵們放哨的時(shí)候，通常都會(huì)帶上一條狗。他們利用狗超乎尋常的嗅覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)來(lái)更早地發(fā)現(xiàn)接近中的敵人。古羅馬人甚至還會(huì)在作戰(zhàn)時(shí)讓狗率先出擊，去擾亂敵軍的陣型。

《機(jī)器猛犬》講述的是一條機(jī)器狗的故事。影片里的機(jī)器狗身體器官雖然都是機(jī)械的，但它卻有著和普通狗一樣的身形，并且很多行為和動(dòng)作也非常接近于真狗。在機(jī)器狗和男主角第一次相遇時(shí)發(fā)生的沖突中，看似強(qiáng)大的機(jī)器狗卻在追逐的過(guò)程中撞壞了身體的零部件而動(dòng)彈不得。

男主角嘗試與機(jī)器狗溝通，原本已經(jīng)開(kāi)啟自毀程序的機(jī)器狗在最后一刻放下警惕，把修復(fù)程序發(fā)到了他的手機(jī)上。那么，在現(xiàn)實(shí)生活中人能否與智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)如電影中那樣的溝通呢？

目前結(jié)合了AI 技術(shù)的智能機(jī)器人已經(jīng)走進(jìn)了我們的生活，例如車(chē)站、機(jī)場(chǎng)的咨詢(xún)機(jī)器人、兒童教育聊天機(jī)器人等。不過(guò)，現(xiàn)在的智能機(jī)器人智能化水平都不高，要想實(shí)現(xiàn)真正與人的無(wú)障礙溝通還做不到。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，目前的智能機(jī)器人與人的交流往往通過(guò)預(yù)設(shè)來(lái)完成，交流的場(chǎng)所會(huì)決定交流的內(nèi)容。比如說(shuō)，車(chē)站的智能機(jī)器人能夠回答車(chē)次、路線(xiàn)、時(shí)間等與車(chē)相關(guān)的內(nèi)容，但如果你要問(wèn)它如何炒一盤(pán)魚(yú)香肉絲，這顯然不在它的預(yù)設(shè)內(nèi)容之中，它也就回答不了。

由于受到技術(shù)處理能力的限制，智能機(jī)器人在語(yǔ)義分析、場(chǎng)景匹配、上下文關(guān)聯(lián)等方面的障礙短時(shí)間內(nèi)仍然難以突破。影片中，機(jī)器狗通過(guò)與男主角眼神的交流，便感受到了他的情感、明白了他的想法并且給予了回應(yīng)的情況，可能在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里仍然只會(huì)出現(xiàn)在科幻故事里。

仿生機(jī)器技術(shù)

咨詢(xún)機(jī)器人

快遞機(jī)器人

男主角根據(jù)機(jī)器狗發(fā)給自己的修復(fù)程序，在機(jī)器狗身上找到了維修工具。讓人大跌眼鏡的是，他竟然拆下自己摩托車(chē)的零部件給機(jī)器狗完成了修復(fù)“手術(shù)”。不過(guò)，從此以后機(jī)器狗和男主角便成為了真正的朋友。后來(lái)，機(jī)器狗向涂鴉墻投影了一段視頻，讓男女主角知道了它原本是一條應(yīng)該在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的仿生機(jī)器戰(zhàn)犬。

目前，科學(xué)家大致將仿生機(jī)器人分為地面仿生機(jī)器人、水下仿生機(jī)器人和空中仿生機(jī)器人三大類(lèi)。

地面仿生機(jī)器人的研制相對(duì)最為成熟，有四足的、兩足類(lèi)人形的、蛇形的等等。它們已經(jīng)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、探索未知天體、惡劣環(huán)境作業(yè)等方面起到了不可或缺的作用。

美國(guó)人研制的一款名叫“Digit”的送快遞的兩足機(jī)器人可以搭乘自動(dòng)駕駛的車(chē)輛前往客戶(hù)的家，抵達(dá)后再跳到門(mén)口放下包裹。Digit可以提起18千克的包裹，在不崎嶇的地面上行走，并且還可以上下樓梯。

水下仿生機(jī)器人主要是仿生機(jī)器魚(yú)，也叫機(jī)械魚(yú)、人工魚(yú)或魚(yú)形機(jī)器人。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是參照魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的原理利用機(jī)械電子元器件或智能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)水下推進(jìn)的一種仿生機(jī)器人。它們主要分為身體尾鰭推進(jìn)和中間鰭對(duì)鰭推進(jìn)兩種模式。

比如說(shuō)，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)以黃鰭金槍魚(yú)和大西洋鯖魚(yú)為原型，開(kāi)發(fā)出一種體長(zhǎng)255.3毫米、寬49.2毫米、高67.8 毫米的機(jī)器魚(yú)，其速度可達(dá)每秒1 米。當(dāng)然，即便是現(xiàn)在最先進(jìn)的機(jī)器魚(yú)，在速度、靈活性等方面還無(wú)法與真正的魚(yú)類(lèi)相提并論，但是這種差距隨著科技的進(jìn)步正在不斷縮小。

空中仿生機(jī)器人也就是能飛的仿生機(jī)器人，它們的種類(lèi)繁多，模仿的動(dòng)物也是五花八門(mén)，比如機(jī)器蝙蝠、機(jī)器蜻蜓、機(jī)器海鷗等等。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的一種機(jī)器蒼蠅，翼展只有3 厘米，體重僅有60 毫克，其飛行運(yùn)動(dòng)原理和真的蒼蠅十分相似。機(jī)器蒼蠅有4 只翅膀和1 個(gè)玻璃眼睛，直徑在5毫米～10毫米之間，大致和真蒼蠅體型相當(dāng)。它由太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，采用1 個(gè)微型壓電石英驅(qū)動(dòng)器以每秒180次的頻率扇動(dòng)它的4只小翅膀以獲得動(dòng)力。

值得注意的是，目前不論是哪一種仿生機(jī)器人都還不會(huì)思考，只能按照人類(lèi)事先編制好的程序來(lái)行動(dòng)。

仿生機(jī)器人

在《機(jī)器猛犬》的結(jié)尾，機(jī)器狗和男主角最終沒(méi)能逃脫軍方的追捕。在即將被抓捕的最后一刻，機(jī)器狗把數(shù)據(jù)傳給了男主角并開(kāi)啟了自毀程序。影片中的機(jī)器狗跑、跳、翻、滾是樣樣精通，那么在現(xiàn)實(shí)生活中有沒(méi)有類(lèi)似的仿生機(jī)器人呢？

我國(guó)科研人員自行研制的一款四足驅(qū)動(dòng)的機(jī)器狗名叫“萊卡狗”，它有22千克重，采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它的電機(jī)系統(tǒng)能輸出高達(dá)18千瓦的瞬時(shí)功率，折算下來(lái)其功率密度比一般的超級(jí)跑車(chē)還要高上將近一倍。瞬時(shí)功率是指電路在某一時(shí)刻、某一位置所吸收的功率；而功率密度，則是指電池輸出的功率與其重量之比。

萊卡狗

機(jī)器蒼蠅

機(jī)器魚(yú)

更為重要的是，萊卡狗已經(jīng)完全擺脫了外部供電。它使用自身攜帶的電池，充滿(mǎn)電能夠支持它行走兩三個(gè)小時(shí)。

目前，四足驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人主要分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)比較成熟，執(zhí)行效率高、控制簡(jiǎn)單、成本低，是機(jī)器人領(lǐng)域最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式。隨著高性能電機(jī)的發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在中小型的四足機(jī)器人上應(yīng)用將越發(fā)廣泛。液壓驅(qū)動(dòng)由于采用了高壓下的液壓油來(lái)傳遞動(dòng)力，所以它具有更高的功率密度和快速響應(yīng)的能力。不過(guò)，液壓驅(qū)動(dòng)器的尺寸以及重量也會(huì)更大，因此這種驅(qū)動(dòng)方式與其他機(jī)器人的集成也會(huì)更加困難。

仿生機(jī)器人除了有像人的、像動(dòng)物的、像昆蟲(chóng)的之外，我國(guó)科學(xué)家還發(fā)明了一種像雪花一樣的仿生機(jī)器人。這種特殊的仿生機(jī)器人被稱(chēng)為“幾何機(jī)器人”。它們的外形具有典型的幾何特征，比如三角形、四邊形或者立方體等等。奇特之處在于，它們的形狀可以發(fā)生改變，通過(guò)這種變形來(lái)實(shí)現(xiàn)在地面上滾動(dòng)、爬行以及蠕動(dòng)等。

幾何機(jī)器人又分為平面幾何機(jī)器人、立體幾何機(jī)器人、變形幾何機(jī)器人、四維幾何機(jī)器人。幾何作為幾何機(jī)器人的基本元素衍生出了復(fù)雜的邏輯，不同形狀組成的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)了各種形態(tài)的自由切換，并且在切換的過(guò)程中完成了移動(dòng)。那么，變起形來(lái)熱鬧好玩的幾何機(jī)器人到底有什么用處呢？

幾何機(jī)器人

一般來(lái)說(shuō)，幾何機(jī)器人能夠在各種復(fù)雜的地形條件下完成探測(cè)、救援等工作。更重要的是，它是一種新概念、新形態(tài)的機(jī)器人。它不使用輪子、履帶、腿等傳統(tǒng)仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部件，但仍然可以完成滾、爬、走等動(dòng)作。幾何機(jī)器人給我們展示了數(shù)學(xué)的邏輯結(jié)構(gòu)、科學(xué)的原理、工程學(xué)的應(yīng)用等方面的知識(shí)。可以說(shuō)，它就是一個(gè)純數(shù)學(xué)、純科學(xué)的現(xiàn)實(shí)載體。

人類(lèi)探索仿生機(jī)械的歷史相當(dāng)悠久，比如說(shuō)諸葛亮的木牛流馬、達(dá)芬奇的飛行器等等。但是，我們現(xiàn)在研發(fā)的仿生機(jī)器人不僅擁有生物的生理特質(zhì)，還能夠根據(jù)人類(lèi)的設(shè)定來(lái)精準(zhǔn)完成任務(wù)。而在未來(lái)，仿生機(jī)器人不僅要適應(yīng)現(xiàn)有的基本要求，更要適應(yīng)未知的生存環(huán)境，替代人類(lèi)在極端惡劣的環(huán)境中工作。