近日，在美國舉辦的機(jī)器人挑戰(zhàn)賽初賽落下帷幕，日本Schaft公司的機(jī)器人拔得頭籌。他們將與其他七支隊伍在明年的決賽中一較高下。

 

　　國防高新研究項目署（DARPA）是美國政府中負(fù)責(zé)遠(yuǎn)期國防科研的單位。這個機(jī)構(gòu)雖然名聲不響，但已經(jīng)對我們今日的世界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。這個機(jī)構(gòu)最早組織了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)，并出資構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)雛形ARPA Net（ARPA就是DARPA的原名）。GPS早期研究同樣是該機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的。此外，如今流行的iPhone手機(jī)上的人工智能與語音識別系統(tǒng)Siri，也是從DARPA的項目中衍生出來的。

 

　　可以說，DARPA所發(fā)起的很多項目，衍生了我們今日已經(jīng)越來越難以離開的大量產(chǎn)品，甚至在某種程度上改變了我們的生活方式。這個機(jī)構(gòu)目前僅有約240名雇員，其中有約140名技術(shù)人員和100名管理人員，每年預(yù)算約為28億美元。它目前還資助著包括外骨骼、人形機(jī)器人、四足機(jī)器人、無人隱形轟炸機(jī)、神經(jīng)控制假肢、蛋白質(zhì)設(shè)計等等各種遠(yuǎn)期科研項目。

 

　　這類項目往往耗資巨大，所需的大量技術(shù)在項目開始時都還不存在，而其最終產(chǎn)品可能要經(jīng)過十年甚至更長時間才能最終成型。因此，在選擇資助對象時就需要極為謹(jǐn)慎，否則投資就很容易打水漂。

 

　　采用競賽形式來選取合適的科研團(tuán)隊，這并不是DARPA第一次這樣做了。在2004年，DARPA為了刺激自動駕駛車輛的研發(fā)，就發(fā)起了“DARPA大挑戰(zhàn)賽”（DARPA Grand Challenge），卡內(nèi)基梅隆、斯坦福、麻省理工等諸多頂級理工院校都參與了這一賽事。由于結(jié)果并不理想，DARPA在次年又舉行了第二屆大挑戰(zhàn)賽。而后，考慮到未來自動駕駛汽車需要應(yīng)對城市的復(fù)雜環(huán)境，DARPA又于2007年舉辦了第三屆大挑戰(zhàn)賽（又稱都市挑戰(zhàn)賽，即Urban Challenge）。每一次挑戰(zhàn)賽后，DARPA都會選擇一些優(yōu)勝團(tuán)隊，給予一定的研究資金來繼續(xù)這些方面的研究。谷歌旗下的自動駕駛車輛研究團(tuán)隊，就是來源于第二屆大挑戰(zhàn)賽的冠軍——斯坦福大學(xué)。

 

　　因此，本屆機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，DARPA的基本目標(biāo)也是要篩選出值得資助的科研團(tuán)隊，鼓勵類人機(jī)器人的研發(fā)。

 

　　傳統(tǒng)機(jī)器人研究都圍繞在固定的機(jī)械臂或工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。后來隨著無線通訊、電子成像技術(shù)的成熟，移動機(jī)器人的研究逐步興起。不過，長期以來，移動機(jī)器人（Mobile Robot）的研究總是以輪式和履帶式機(jī)器人為重點(diǎn)。這是因?yàn)檫@兩者的活動部件少、可靠性高、設(shè)計簡單。

 

　　隨著移動機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，在一些條件下，輪式和履帶式機(jī)器人就難以滿足需要了。因此步行機(jī)器人逐漸吸引了一部分研究者的注意。比如，針對山區(qū)崎嶇地形的運(yùn)輸、偵查和火力支援任務(wù)，波士頓動力學(xué)公司（Boston Dynamics）研發(fā)了大狗（Big Dog）四足機(jī)器人，其性能令人驚嘆。

 

　　在福島核事故中，美日機(jī)器人團(tuán)隊嘗試了一些機(jī)器人救援活動，結(jié)果非常不理想。這一方面是因?yàn)楫?dāng)時的機(jī)器人并沒有為強(qiáng)核輻射條件而設(shè)計整個通訊和電子系統(tǒng)，另一方面則是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的履帶式救援機(jī)器人難以使用諸如樓梯、安全門等為人類設(shè)計的設(shè)施，也難以對諸如閥門等機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作。因此，類人機(jī)器人才有了實(shí)用的價值。

 

　　美國雖然一直在整體上領(lǐng)跑機(jī)器人研究，但對類人機(jī)器人并不十分重視。最接近于類人機(jī)器人的研究項目，可能是外骨骼和NASA的機(jī)器人宇航員。這其中，前者主要依靠操作人員來平衡和執(zhí)行動作，而NASA機(jī)器人的重點(diǎn)在于低重力條件下使用人類工具進(jìn)行維修或其他操作，并不太考慮行走之類的下半身動作。因此，美國在類人機(jī)器人領(lǐng)域的研究積累反而不如日本。日本社會出于各種原因，一直對類人機(jī)器人有著超出其他國家的濃厚興趣。因此，日本在類人機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用需求出現(xiàn)前就已經(jīng)對這個研究領(lǐng)域進(jìn)行了長期的投入。本次挑戰(zhàn)賽由日本公司奪冠，倒并不令人吃驚。

 

　　然而一旦應(yīng)用前景出現(xiàn)，美國研究學(xué)者追趕的速度也相當(dāng)不俗。本次DARPA為沒有類人機(jī)器人的團(tuán)隊提供的就是波士頓動力學(xué)公司的阿特拉斯（Atlas）雙足步行機(jī)器人。阿特拉斯是在“大狗”液壓步行機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制算法的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的。將在明年進(jìn)行最終角逐的8只隊伍中有5只使用的就是這一型號，其中佛羅里達(dá)的人機(jī)認(rèn)知學(xué)院本次名列第二，麻省理工獲得第四，TRAClab公司獲得第六，伍斯特理工學(xué)院獲得第七，而洛克希德馬丁公司獲得第八。

 

　　美國機(jī)器人研究的老牌名?？▋?nèi)基梅隆依靠自己的機(jī)器人獲得了第三。NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室則沒有采用類人機(jī)器人，但也獲得了第五名的成績。

 

　　從目前情況看，DARPA的基本任務(wù)仍然是在阿特拉斯的基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)更成熟的類人機(jī)器人以及相關(guān)的各種控制、感知、識別和人工智能算法。日本的Schaft未來恐怕更多的是扮演一個陪太子讀書的角色。

 

　　不過這些類人機(jī)器人的研發(fā)，現(xiàn)在仍然有很多難點(diǎn)。

 

　　第一個問題就是能源。如果注意觀看本次機(jī)器人挑戰(zhàn)賽的錄像就會發(fā)現(xiàn)這些機(jī)器人都必須依賴外接電源來完成工作，也就是要拖著一根長長的電纜。這無疑是對機(jī)器人行動不利的。目前的電池技術(shù)尚不能滿足這些機(jī)器人的能耗要求。在波士頓動力學(xué)公司為DARPA研制的最新型四足機(jī)器人LS3（步行班組支援系統(tǒng)）上，提供能源的還是一部內(nèi)燃機(jī)。

 

　　第二個問題是重量。獲勝的Schaft公司的機(jī)器人本身重量已有95千克，而阿特拉斯更是重達(dá)150千克。而這個重量還未包括未來可能加裝的電池/內(nèi)燃機(jī)、外殼以及其他可能的傳感器。最終類人機(jī)器人的重量很可能會超出一般人體重的范圍。在救援中，這可能導(dǎo)致一些設(shè)施和建筑部件無法承受。而且，進(jìn)一步增重也會使機(jī)器人重心升高，使其維持平衡的難度加大。

 

　　第三個問題是可靠性與易維護(hù)性?，F(xiàn)在的類人機(jī)器人仍然大量使用電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。這使得機(jī)體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制算法都極其復(fù)雜。出現(xiàn)故障的幾率很高。NASA下屬的約翰遜宇航中心這一次設(shè)計制造了“女武神”前來參賽，但是在比賽現(xiàn)場由于故障問題不幸折戟。阿特拉斯雖然使用成熟的液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，但是復(fù)雜度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般機(jī)器人系統(tǒng)。而且，類人機(jī)器人始終面臨摔倒的危險。如果在執(zhí)行任務(wù)中出現(xiàn)微小故障而導(dǎo)致機(jī)器人摔倒，其巨大的重量可能導(dǎo)致肢體及傳感器嚴(yán)重?fù)p壞。與此相比，輪式機(jī)器人出現(xiàn)故障時，一般會停止運(yùn)動，并不會造成進(jìn)一步的損傷。

 

　　從這些角度來看，類人機(jī)器人未來的應(yīng)用領(lǐng)域仍然十分有限。研發(fā)之中仍然有大量的挑戰(zhàn)。至于有的人可能擔(dān)心的“終結(jié)者”，筆者不得不說這還極其遙遠(yuǎn)，人工智能、機(jī)器視覺、運(yùn)動控制等領(lǐng)域的研究尚不能讓我們看到任何出現(xiàn)“終結(jié)者”的可能。而且，考慮到類人機(jī)器人的諸多劣勢，未來的機(jī)器人戰(zhàn)士，恐怕也不會采用人形，輪式、履帶式、四足/六足都是更可行的選擇。