书城科普读物探究式科普丛书-智能的机器:机器人
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第2章 “新新人类”——机器人(2)

机器人的鼻子也就是用气体自动分析仪做成的。我国已经研制成功了一种嗅敏仪,这种气体分析仪不仅能嗅出丙酮、氯仿等四十多种气体,还能够嗅出人闻不出来但是却可以导致人死亡的一氧化碳(也就是我们通常所用的煤气)。这种嗅敏仪有一个由二氧化锡和氯化钯等物质烧结而成的探头(相当于鼻黏膜)。当它遇到某些种类气体的时候,它的电阻就发生变化,这样就可以通过电子线路做出相应的显示,用光或者用声音报警。同时,用这种嗅敏仪还可以查出埋在地下的管道漏气的位置。

现在利用各种原理制成的气体自动分析仪已经有很多种类,广泛应用于检测毒气、分析宇宙飞船座舱里的气体成分、监察环境等方面。

这些气体分析仪的原理和显示都和电现象有关,所以人们把它叫做电子鼻。把电子鼻和电子计算机组合起来,就可以做成机器人的嗅觉系统了。

(4)高人一等-机器人的耳朵

人的耳朵是仅次于眼睛的感觉器官,声波叩击耳膜,引起听觉神经的冲动,冲动传给大脑的听觉区,因而引起人的听觉。机器人的耳朵通常是用“微音器”或录音机来做的。被送到太空去的遥控机器人,它的耳朵本身就是一架无线电接收机。

人的耳朵是十分灵敏的,我们能听到的最微弱的声音,它对耳膜的压强是每平方厘米只有一百亿分之几千克。这个压强的大小只是大气压强的一百亿分之几。

可是用一种叫做钛酸钡的压电材料做成的“耳朵”比人的耳朵更为灵敏,即使是火柴棍那样细小的东西反射回来的声波也能被它“听”得清清楚楚。如果用这样的耳朵来监听粮库,那么在2~3千克的粮食里的一条小虫爬动的声音也能被它准确地“听”出来。

用压电材料做成的“耳朵”之所以能够听到声音,是因为压电材料在受到拉力或者压力作用的时候能产生电压,这种电压能使电路发生变化。这种特性就叫做压电效应。当它在声波的作用下不断被拉伸或压缩的时候,就产生了随声音信号变化而变化的电流,这种电流经过放大器放大后送入电子计算机(相当于人大脑的听区)进行处理,机器人就能听到声音了。

但是能听到声音只是做到了第一步,更重要的是要能识别不同的声音。目前人们已经研制成功了能识别连续话音的装置,它能够以99%的比率,识别不是特别指定的人所发出的声音,这项技术就使得电子计算机能开始“听话”了。这将大大降低对电子计算机操作人员的特殊要求。操作人员可以用嘴直接向电子计算机发布指令,改变了人在操作机器的时候手和眼睛忙个不停。而与此同时嘴巴和耳朵却是闲着的状况。

一个人可以用声音同时控制四面八方的机器,还可以对楼上楼下的机器同时发出指令,而且并不需要照明,这样就很适合在夜间或地下工作。这项技术也大大加速了电话的自动回答、车票的预定以及资料查找等服务工作的自动化实现的进程。

现在人们还在研究使机器人能通过声音来鉴别人的心理状态,人们希望未来的机器人不光能够听懂人说的话,还能够理解人的喜悦、愤怒、惊讶、犹豫等情绪,这些都会给机器人的应用带来极大的发展空间。

第二节追古溯今——机器人发展史

1.历史印迹-古代机器人

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有几千年的历史。

人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。

西周时期,我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人,这是我国最早记载的机器人。春秋后期,我国着名的木匠鲁班,在机械方面也是一位发明家,据《墨经》记载,他曾制造过一只木鸟,能在空中飞行“三日不下”。东汉的张衡不仅发明了地动仪,而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里,车上木人击鼓一下,每行十里击钟一下。三国时期,蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”,并用它运送军粮,支援前方战争。

公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人──自动机,它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像,它可以自己开门,还可以借助蒸汽唱歌。

1662年,日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶,并在大阪的道顿堀演出。1738年,法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还能进食和排泄。

在当时的自动玩偶中,最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·道罗斯和他的儿子利·路易·道罗斯。1773年,他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等,他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。它们有的拿着画笔和颜色绘画,有的拿着鹅毛蘸墨水写字,结构巧妙,服饰华丽,在欧洲风靡一时。

进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用的机器人相继问世,机器人的发展进入了新纪元。

2.承前启后-现代机器人

现代机器人的研究始于20世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展,以及原子能的开发利用。自1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。

1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中,根据Robota(捷克文,原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文,原意为“工人”),创造出“机器人”这个词。

1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人-“Elektro”。它由电缆控制,可以行走,会说77个单词,甚至可以抽烟,不过离真正干家务活还差得很远,但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造,但后来成为学术界默认的研发原则。1948年诺伯特·维纳出版《控制论》,阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律,率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人,并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作,因此具有通用性和灵活性。1956年在达特茅斯会议上,马文·明斯基提出了他对智能机器的看法:智能机器“能够创建周围环境的抽象模型,如果遇到问题,能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后,他们成立了世界上第一家机器人制造工厂-Unimation公司。

由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传,他也被称为“工业机器人之父”。

1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人,并出口到世界各国,掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

1962~1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器,包括1961年恩斯特采用的触觉传感器,托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器。

而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统,并在1965年帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器,能识别并定位积木的机器人系统。

1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出“Beast”机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置,根据环境校正自己的位置。

20世纪60年代中期开始,美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人,并向人工智能方向进发。

1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人-“Shakey”。它带有视觉传感器,能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人,由此拉开了第三代机器人研发的序幕。

1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来更进一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。

1973年,世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人-“T3”。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人-“PUMA”,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1984年英格伯格再次推出机器人-“Helpmate”,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年,他还预言:“我要让机器人擦地板、做饭,出去帮我洗车,检查安全”。

1998年丹麦乐高公司推出机器人套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人-“爱宝”,当即销售一空,从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人-“Roomba”,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

2006年6月,微软公司推出Microsoft Robotics Studio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显。比尔·盖茨预言,家用机器人很快将席卷全球。