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仿生机器人:应然和实然的未来

来源:西南科技大学文学与艺术学院 作者:谢蓓

《西部世界》第二季播出后,受到大众吹捧。剧中,科学家制造的接待员不管是语言还是外表都与人无异,它们甚至还拥有了自我意识。

除了《西部世界》,像《普罗米修斯》《黑客帝国》《银翼杀手》这类有关仿生人的科幻电影如浪潮向我们涌来。不仅存活于虚拟世界之中,仿生机器人更成为了21世纪现实社会的代名词。

他山之石

3月21日,Nature(《自然》杂志)封面发布重大工程学突破——仿生物细胞群体机器人问世,此新闻再次刷新了人类对仿生机器人的认知。同样,仿生机器人的不断发展,也证明着人类在这一领域中进行着无尽探索。美国心理学家JohnBroadus Watson(约翰·华生)曾这样说过:“一切本能活动的主要任务是在于引发学习的过程”,看似“完美”的人仍有自身无法修补的缺陷和触及不到的领域。因此,人类依赖于仿生学,通过模仿生物的结构和功能原理,造就仿生机器人。

由崔新忠、常诚、缪新颖合著的论文《仿生机器人的发展与应用研究》中写道:“自然界在亿万年的演化过程中孕育出各种各样的生物,生物体发展出灵巧的运动机构和机敏的运动模式,这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。”其实早在古代,人类便有模仿自然生物创造机器的行为。大禹时期,人类观察到鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯,他们就在船尾上架置木桨来提高船在水上的运动速度。春秋战国时期,著名工匠鲁班,从茅草锯齿状的叶缘中得到启示,制作出了锯子。

日益弥新的科技使仿生技术逐渐褪下旧壳,让以往只能发挥“砍、游”的作用的仿生物体,发展到如今日渐成熟的仿生机器人,还使其在预测灾害、发明武器装备等方面发挥着巨大的作用。例如,在海上风暴来临前,海浪与空气摩擦产生的次声波是人耳无法听到的,但是水母通过耳内极小的听石,能够捕捉到这一信息。因此,水母耳风暴预测仪孕育而生,并被人类广泛运用于航海事业,这在一定程度上对海上作业的安全提供了保障。在由刘怀景编著的《人类的仿生技术》书中还记录了“气体分析仪”——即通过模仿苍蝇嗅觉器官制成的灵敏度很高的小型气体分析仪,已被用于分析宇宙飞船座舱里的气体。类似通过模仿生物结构和技能而仿生出的物体数不胜数,“人们不但从生物的外形去汲取营养、激发灵感,而且从生物的内部结构去获取启发,为人类开辟仿生学新天地创造条件”,罗霄在文章《结构仿生》中这样说道。

人类对自然的不断探索加之主观能动性的发挥,使得仿生机器人的用途逐渐扩大。2017年10月初,由哈佛大学Connor Walsh(康纳·沃尔什)教授所研发的可穿戴康复软体机器人被正式推出。它是一种橡胶材料的人造气动肌肉,该肌肉内部有不同形状的空腔,通过气泵对肌肉充气使之形变来模仿人手的活动,从而达到帮助残疾人和行动不便的人康复或是作为辅助设备长期穿戴的目。除此之外,仿生机器人还被用于地震和海啸中进行搜索救援,南京蜘蛛侠智能机器人有限公司创始人、执行董事唐开强研制的仿生蜘蛛便是用于地震救援。2017年,美国斯坦福大学和NASA喷气推进实验室共同研发出一款“壁虎”仿生机器人,用于清理日益增多的太空垃圾。

未来的仿生机器人将在各个领域中为人类服务。在由罗庆生、罗霄编著的书籍《仿生机器人的设计与制作》中谈到:“当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来,向航空航天、军事侦查、水下探测、医疗服务等作业方面发展。”

青出于蓝而胜于蓝

鲁班模仿荷叶的外形造就了雨伞;瑞士工程师George de Max(乔治·德·麦斯)通过模仿苍耳发明了魔术贴;Da Vinci(达芬奇)通过研究鸟类飞行方式研制出了人力旋翼螺旋桨直升飞机……“人类总是能将生物体外部形状或内部结构的精髓及特征巧妙地应用在人工系统、装置、器具、物品之中,使之‘青出于蓝而胜于蓝’”,《仿生机器人的设计与制作》一书中这样写道。

Festo(费斯托),世界上最著名的气动元件、组件和系统的生产厂商,仿生机器人领域中的佼佼者,针对仿生机器人研究问题,Festo大中华区总经理刘天鹏在接受艾问传媒采访时说道:“Festo当前已经拥有了近3000个世界级专利产品,但我们仍然要继续专研,从自然生物中汲取灵感,并将其运用到工业实践”。

不仅仅是Festo研制的各种仿生机器人,全世界的仿生机器人就像是有一片温床,在竞相生长。如本田2011年发布的“ASIMO2011”机器人,综合了视觉和触觉的物体识别技术,除了可以进行细致作业,还能依据人类的声音、手势等指令,来从事相应动作。2013年,美国波士顿动力公司研制的“ATLAS”机器人除了具有人形外观,还具备了人类简单的识别、判断以及决策功能。据统计,NSFC(国家自然科学基金委员会)在机构学与机器人、机械仿生学这两个方向共资助137项,而且,其资助力度在不断地加大。同时,仿生机器人告别了以前单一的“临摹”阶段,向全新的阶段发展。

仿生机器人告别了从事枯燥乏味流水线工作的“旧形象”,逐渐向着“亲民化”方向发展。“随着人类社会的进步,机器人需要走出工厂,进入百姓家庭,广泛用于生活、娱乐和教育中,而活动方式和身体结构酷似动物的仿生机器人显得更加聪明、灵活,也更易被人们所接受。”沈阳自动化研究所研究员马书根针对仿生机器人发展状况时这样表示。

2017年10月26日,仿生机器人Sophia(索菲亚)被正式授予公民身份,其仿生橡胶皮肤可模仿六十多种人类表情,并与人类进行流畅的沟通。由日本大阪大学和京都大学的研究团队研制的仿生美女机器人——Erica(艾丽卡),也将涉入电视新闻领域。仿生机器人走向大众生活,已然成为一种趋势。

除此之外,仿生机器人还将继续深入养老服务领域,据《机器人产业发展规划(2016-2020年)》显示,“5年内仿生机器人将走近养老机构和养老服务”。随着科技发展,仿生机器人从传统的纯机械式机器人逐渐转向智能机器人,动作更加人性化,外形更加真实化。

路漫漫其修远

仿生机器人发展至今,“研究大于功效”是目前普遍存在的一种情况。以Festo为例,去年7月,Festo在Achema(德国阿赫玛展览会)上首次展示了BionicFinWave(水下机器人),并向大众介绍,该机器人的设计灵感来自于海涡虫、墨鱼这类海洋生物游动时所做的鳍片波浪运动。运用这种形式的推动力,水下机器人能够在丙烯酸玻璃管系统中进行自主导航。虽然研发者介绍其可以利用导航在水下收集数据,但却由于资金昂贵、技术不过硬等问题仍然无法在实际过程中投入使用。

“仿生机器人从诞生、发展,到现在短短几十年的时间里,对其研究取得了一系列的成果,开辟了机器人领域独特的技术发展道路和研究方法,大大开阔了人们的眼界,显示出了广阔的应用前景和极强的生命力”,吉林大学机械制造及其自动化工学博士陈殿生在谈及仿生机器人发展状况时表示,“但由于其学科交叉性,发展至今依然存在‘形似而神不似’、达不到生物系统的精巧程度、实际应用有限等诸多问题。”

由曲阜师范大学副教授王国彪发表的论文《仿生机器人的研究现状与发展趋势》中谈及此类现象出现的原因,“一是生物体是一个非常复杂的系统,其每一个运动功能都由骨骼、肌肉、神经系统等多因素作用,想要全面了解生物的运动功能具有一定的难度;二是生物机理的研究要结合大量的试验,而现有试验条件及研究方法过于单一,无法完全满足相应生物运动规律的观测要求,而第三个理由便是生物机理的研究需要多学科长期密切合作,而现有研究过程中,多学科合作仍处于起步阶段。”

简单来说,仿生研究就好比脑科学的研究重点之一——通过对脑的结构功能进行研究,从而了解大脑的控制、通信机理。由于大脑的控制过程非常复杂,研究过程需要解剖学、生理学、分子生物学、系统生物学等多学科协调工作。同样,仿生机器人也需要结合多个学科,不单单只是学会模仿,所以这都使得仿生研究具有较大难度。

即便仿生机器人还有很多难关需要去攻克,但是它的未来仍可期待,就如同北京航空航天大学机器人研究所所长陈殿生说的那样:“随着对仿生机器人研究的不断深入,生物的部分结构特性和功能被逐渐揭示,部分研究成果逐步在生产生活中开展了试验性应用,其优良的性能显示出了仿生机器人广阔的前景。”

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