机器与人，融合的未来

机器人（robot）这个词语最早出现在捷克科幻作家恰佩克1920年完成的科幻话剧《罗索姆的万能机器人》中，在恰佩克的话剧中，作者虚构了一种名为“robota”的人形机器人，它可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。原文用的是“robota”，后来演变为“robot”在英文中通用。

　　究竟什么是机器人？机器人一定是人形的吗？一方面，在科学技术发展的过程中，不同的国家，不同的学者给出的定义不尽相同；另一方面，随着时代的进步，机器人的内涵仍在不断发展变化。目前，联合国标准化组织（ISO）采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程、多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”通俗地说，机器人就是能自动工作的机器。

　　科幻小说家阿西莫夫在小说《我，机器人》中设定了著名的机器人三大定律，规定所有的机器人必须遵守这三条定律：

　　1.机器人不得伤害人类，且确保人类不受伤害；

　　2.在不违背第一定律的前提下，机器人必须服从人类的命令；

　　3.在不违背第一及第二定律的前提下，机器人必须保护自己。

　　现实社会中，这三大定律也成为了机械伦理学的基础。然而，科幻小说中的机器人至今还没有真正走入我们的生活。

　　目前，世界上可称之为机器人的机器系统是由机械结构、传感器、控制器三大部分组成的。

　　机械结构包括：机械手、运动结构以及构成机器人整体框架的所有元件。机械手相当于人的手，可完成各种工作；运动结构相当于人的脚，能够让机器人整体灵活地移动，机器人靠它来走路。传感器的作用是获取机器人自身以及外部环境信息，机器人依靠传感器来决定自己的动作。传感器就像人类的眼睛、鼻子、耳朵、皮肤、舌头等感觉器官。传感器同样也有很多种类，比如触碰传感器、光电传感器、颜色传感器、温度传感器等。控制器部分相当于人类的大脑或中枢神经系统，它能够把传感器获取的信息处

　　理之后让机械结构部分做出相应的反应。以教学机器人乐高机器人为例，它集合了可编程乐高控制器、电动马达、多种传感器、乐高技术部分（齿轮、轮轴、插销）等。

　　机器人的诞生

　　美国是机器人的诞生地，1954年美国人戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人。现在的工业机器人差不多都采用这种控制方式。1959年，UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。第二次世界大战后，日本的劳动力十分紧张，而到了20世纪60年代末，日本经济年增长率达11%，高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国UNIMATION公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。如今，世界上最先进的类人形机器人也来自日本，是由本田公司研发出来的。

　　我国早在“七五”计划（1986～1990年）中就把机器人列入国家重点科研规划内容，在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。多年来，相继研制出可进行搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。比如，我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。另外，开发智能机器人也是国家863高技术发展规划的一部分。但我国的机器人技术相对还比较落后，目前主要还是生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。

　　各行各业的机器人

　　如今，对人类来说，太脏太累、太危险、太精细、太粗重或太反复无聊的工作常常由机器人代劳。从事制造业的工厂里的生产线就应用了很多工业机器人，其他应用领域还包括：射出成型业、建筑业、石油钻探、矿石开采、太空探索、水下探索、毒害物质清理、搜救、医学、军事领域等。

　　按照应用范围来划分，当代机器人分为以下几类：工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教学机器人和娱乐机器人。

　　工业机器人是全球应用范围最广的一类机器人。截至2010年末，中国运行中的工业机器人数量超过5万台，应用程度与发达国家相比存在较大差距，如运行数量约为日本的1/10、德国的1/4，可见中国工业机器人行业未来发展空间较大。近年来，亚洲及美洲工业机器人的装配量明

　　显上升，除了汽车工业以及电子电器行业，化工领域应用工业机器人的需求量也迅速上升。

　　军用机器人研发方面，走在前列的国家主要有美国和以色列，如果不将全球各种正在服役的无人飞机包含在内的话，比较典型的军用机器人包括DRDO公司的Daksh， iRobot公司的PackBot，福斯特-米勒公司的“魔爪”，以色列USV公司的Guardium，韩国三星公司的SGR-A1等。目前军用机器人已经被应用于阿富汗、巴以冲突等局部战争中，比较常见的任务包括侦察、排雷等。这种机器人往往非常灵活，可以穿越复杂地形，部分型号的机器人装备了机枪等攻击性武器。

　　在国外，机器人教育一直是个热点。早在1994年，美国麻省理工学院就设立了 “设计和建造乐高机器人”课程，目的是提高工程设计专业学生的设计和创造能力，尝试机器人教育与理科实验的整合；麻省理工学院媒体实验室“终身幼儿园”项目小组通过与著名积木玩具商乐高公司的紧密合作，开发了各种教学工具。该项目组开发出可编程的乐高玩具，帮孩子们学会在数字时代怎样进行设计活动。同时，国外的一些智能机器人实验室也有相应的机器人教育研究的内容。我国一些发达省市也开始尝试机器人教育。最新的高中课程标准在“信息技术”科目中也设立了“人工智能初步”选修模块，我国的人工智能教育正在走向大众化、普及化。

　　崭新的机器人技术

　　从全球范围来看，工业机器人、机器人机械结构技术、遥控机器人系统、虚拟现实技术将成为近几年机器人技术领域的重点发展方向。而外骨骼机器人将成为与人类融合最为紧密的机器人，也将在不远的未来更多地用于现实生活。

　　在工业机器人方面，随着技术的创新，工业机器人各方面性能将不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格会不断下降。工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日趋小巧，且采用模块化结构，将大大提高系统的可靠性、易操作性和可维修性。很多工业机器人都在走向大众生活，比如哈尔滨工业大学的食堂已经开始使用该校研制的削面机器人，替代了部分厨师的工作。

　　从机器人的内部结构来看，机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块以重组方式构造机器人整机。

　　国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。可以说，未来机器人的身体将更加灵活、轻巧，眼睛、耳朵、手等感觉器官也将更加灵敏。

　　当代遥控机器人系统的发展方向不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

　　美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。“索杰纳”的体积小，动作灵活，拥有条形激光器和摄像机。它在火星上执行指令的情况由飞船拍摄下来，传送回地球，在电脑屏幕上显示出来，科学家根据这些图像，再决定小车下一步的行动。另外，“索杰纳”上还安装了5台激光测距仪，可以依靠它们直接侦察周围地形，及时发现障碍物，寻找没有障碍的前进路线。

　　虚拟现实技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。虚拟现实技术在机器人领域的作用已从仿真、预演发展到过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。这种技术经常用于空间机器人的制造，如美国的“勇气”号和“机遇”号火星探测器均利用了此项技术。这一技术领域的发展空间非常广阔，未来各行各业的机器人都有可能用到虚拟现实技术，通过身临其境的情景远程操作机器将不再是科幻电影中的场景。

　　与人类融合的外骨骼机器人？

　　机器人作为人类的一部分，未来将与我们有更为深入的融合，外骨骼机器人将成为机器人领域未来发展的一个重要方向。随着科技的发展，尤其是传感器技术、材料技术、控制技术和仿生学技术等相关领域的突破，外骨骼机器人系统的研发也取得了很大的进步。

　　外骨骼机器人是一种人工外骨骼，也是一种机械机构，类似于昆虫的外骨骼，能穿戴在人体外部，可以给人提供保护和额外的动力，增强人体机能，使操作者能轻松地完成很多困

　　难的活动和任务，如使腿残疾的人能够站立和自己上楼，让普通士兵在负重的情况下依旧健步如飞。外骨骼所具有的这些优点已经引起了人们的极大兴趣，一些科学家从仿生学的角度来研究人工外骨骼，使得近年来外骨骼机器人的研究与开发成为一个新的热点，并在军事、科研、工业生产和日常生活中逐步得到了广泛的应用。

　　外骨骼机器人系统的研制和应用可以分为民用和军用两大类。民用的外骨骼机器人主要用来辅助残疾人、老年人和丧失部分运动能力的病人行走。它由背囊、内装计算机和一组电池感应控制设备、4个分布在髋关节和膝关节两侧的电传装置组成，其机器腿的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控制设备。它配备了多种传感器，所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，是一个可佩戴的混合控制系统。

　　比如，日本筑波大学的HAL-5外骨骼机器人装有主动控制系统，采用肌电传感器来辨别人的运动意识，可以探测到人体表面非常微弱的信号，动力装置根据接收的信号来控制肌肉运动，帮助使用者完成站立、步行、爬楼、举重物等日常生活中的几乎一切活动。

　　军用的外骨骼机器人主要用来增强普通士兵的能力，可以让普通士兵成为在负重较大的情况下依旧可以跳过较高物体和快速奔跑的超级士兵。目前，这方面研究比较成熟的有美国洛克希德·马丁公司的人类负重外骨骼系统（简称HULC）。它是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，整套系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置以及控制计算机和背部的负重部分、散热单元等组成，可以帮助士兵在负重较大的情况下长时间行军。

　　外骨骼机器人是一种和人紧密联系的、人机结合的机械动力系统，其中运用了大量传感器。随着传感器技术的不断创新，外骨骼系统对外界环境的感知判断能力和对操作者动作意识的判断将会更加快速、准确，使其智能化水平进一步提高。同时通过集成先进的探测感应装置，未来的外骨骼系统将会在第一时间感知周围环境的变化，并在紧急的情况下帮助使用者迅速摆脱危险，例如可以帮助残疾人安全地过马路，帮助士兵在未来的战场中敏锐地感知周围环境并快速地脱离危险地域。外骨骼技术涉及到机械、电子、控制、计算机、传感器等学科领域，是多种高新科技的集成。随着科技的不断创新与进步，外骨骼系统的智能化、人机耦合、模块化和微型化的程度也会越来越高，功能也将越来越强大。

　　至少在可以预见的未来，机器人还只是人类身体的延伸，再强大的人工智能也还需要人类的思维来控制它的“意志”。这种灵与肉的分开避免了很多道德困境。当有一天机器人也有了和人类一样的思考﹑感知能力，它们还会是工具和玩具吗？它们会如何看待自己的命运呢？人类又会如何看待它们的命运呢？也许那时它们就该称为“他们”了。