詹紅霞　董秀成

大多數(shù)人對于機器人的認識，都來自于科幻電影中的描述。與人類對外星人的認識不同，機器人是人類自己制造出來的，首先它們是機器，然后才是人，因此機器人更為真實，更為親切。在過去的數(shù)年中，機器人的研發(fā)和制造技術(shù)突飛猛進，尤其是核心的人工智能技術(shù)，向著更為實用的方向邁進，在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，機器人可以完成更為復雜的運算，從而讓人工智能可以有更高的“智商”。也許在2019年，你就能像電影《我的女友是機器人》中的次郎那樣，遇到屬于自己的機器人女友。

33歲的加拿大發(fā)明家黎忠(Le Trung)，花光自己所有積蓄，制造了一個名為“愛子”的女性機器人。黎忠稱，“愛子”是科技與美麗邂逅的產(chǎn)物，她“年方”20多歲，正值青春妙齡，身材苗條，相貌姣好。她總是樂于打掃房間，幫助黎忠記賬，而且知道他愛喝什么。每天早上，“愛子”都為黎忠讀報，開始新的一天。她可以用女性溫柔的聲音告訴黎忠當天的天氣狀況，比如：“戶外是零下2℃”。“愛子”全身關(guān)鍵部位布滿傳感器，脖子上還有一個攝像頭，這樣她就可以具備觸覺、視覺和聽覺。愛子可以對撓癢和觸摸做出反應，能夠認人?？梢杂糜⒄Z和日語說1.3萬句話。她可以點頭，手也可以動。如果有人粗魯?shù)赜|碰她，她就會憤怒地大聲叫喊。即使黎忠輕輕地拍她的頭，她也會說：“摸女孩的頭可不好，摸你自己的頭?！彼踔習取膀}擾者”的耳光。很有趣，對吧?看來找個機器人做女友并非遙不可及。

雖然這個“愛子”還沒有“智能”到《i，Robot》中的Sunny或《Wall·E》中的瓦力那樣具有情感并自主思考，但她所具備的功能卻足以讓人大吃一驚了。那么，她為何會具有這些看起來非?！叭诵曰钡奶卣髂?這一切還得從人工智能說起。

關(guān)于人工智能

人工智能(ArtificialIntelligence，AI)是計算機學科的一個分支，二十世紀七十年代以來被稱為世界三大尖端技術(shù)之一(空間技術(shù)、能源技術(shù)、人工智能)。人工智能是研究使計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考、規(guī)劃等)的學科，主要包括計算機實現(xiàn)智能的原理、制造類似于人腦智能的計算機，使計算機能實現(xiàn)更高層次的應用。人工智能將涉及到計算機科學、心理學、哲學和語言學等學科?？梢哉f幾乎是自然科學和社會科學的所有學科，其范圍已遠遠超出了計算機科學的范疇。從思維觀點看，人工智能不僅限于邏輯思維，要考慮形象思維、靈感思維才能促進人工智能的突破性的發(fā)展，數(shù)學常被認為是多種學科的基礎(chǔ)科學，數(shù)學也進入語言、思維領(lǐng)域，人工智能學科也必須借用數(shù)學工具，數(shù)學不僅在標準邏輯、模糊數(shù)學等范圍發(fā)揮作用，數(shù)學進入人工智能學科，它們將互相促進而更快地發(fā)展。近年來人工智能技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展，在很多學科領(lǐng)域都得到應用和發(fā)展。

隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多原來無法完成的工作現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。目前人工智能研究的未來發(fā)展方向是智能接口、數(shù)據(jù)挖掘、主體及多主體系統(tǒng)。其中多主體(Multi-Agent)技術(shù)是近年來發(fā)展迅猛并在科研和工程技術(shù)領(lǐng)域不斷取得應用成果的重要研究方向。主體(Agent)與多主體(Multi-Agent System，MAS)系統(tǒng)的概念起源于人工智能領(lǐng)域，是分布式人工智能的主要方向之一。Agent具有自治性、可通信性、反應性、面向目標性和針對環(huán)境性等特性。

咱治性：即對自己的行為或動作具有控制權(quán)，無須外部干預，自主地完成其特定的任務(wù)；

·可通信性：每個Agent在有組織的群體中，通過相互通信接受任務(wù)指派和反饋任務(wù)執(zhí)行的信息；

·反應性：Agent應具備感知環(huán)境并做出相應動作的能力；

·面向目標性：對自己的行為做出評價并使其逐步導向目標；

·針對環(huán)境性，Agent只能工作在特定的環(huán)境中。

典型的智能控制系統(tǒng)通常采用分層控制結(jié)構(gòu)，對整個系統(tǒng)進行分散遞階控制，它將整個系統(tǒng)分為組織層、協(xié)調(diào)層和響應層。每層均由完成相應任務(wù)的Agent組成。響應層Agent對自的子系統(tǒng)進行控制，并向協(xié)調(diào)層反饋信息；協(xié)調(diào)層則根據(jù)反饋的信息和組織層的指令協(xié)調(diào)響應層Agent的執(zhí)行過程；組織層從全局的角度對整個系統(tǒng)進行分析，并向低層Agent發(fā)送指令。常見的MAS的體系結(jié)構(gòu)主要有Agent網(wǎng)絡(luò)、Agent聯(lián)盟以及“黑板”結(jié)構(gòu)。Agent的任務(wù)執(zhí)行機制是指系統(tǒng)對每個Agent分配了不同角色，各自獨立地執(zhí)行一定的任務(wù)，Agent之間遵循民主協(xié)商原則和獨立自治的原則。

MAS是在單Agent理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它由一組具有自主性、適應性、反應性和社會性的Agent組成，擁有較單Agent更多的資源和知識以及更強的處理能力，是分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence，DAI)在最近的研究中提出的一項新技術(shù)。主要應用在對現(xiàn)實世界和社會的模擬、機器人以及智能機械等領(lǐng)域。

機器人的歷史其實并不算長。1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，至此機器人的歷史才真正開始。近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)歷了三個成長階段，即三個時代。第一代為簡單個體機器人，第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺和思維，能與人對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型，第二代則具備了感覺能力，第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力。當機器人與人類生活接觸更多時，我們可以發(fā)現(xiàn)機器人已漸漸擺脫冰冷的機械外觀，研究人員也正設(shè)法讓機器人具有人類般的感知能力，如視覺、聽覺、觸覺甚至情緒傳感，并能有相對應的回應等。除TX形機器人，機器人的發(fā)展方向更將無限廣闊。

智能機器人未來還能朝模仿生物的形態(tài)與功能的“仿生學”方向發(fā)展。譬如，美國國防先進研究計劃局贊助航空環(huán)境公司研究“黑寡婦”機器人，希望利用15公分長的小型仿真蜘蛛飛行器偵測到衛(wèi)星也無法拍攝到的細節(jié)，伯克利大學正在研究灰塵般大小的微形機器人，只要散布在空氣中就能讓一個個微小感應器串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)；黏在指尖上，不用鍵盤就可直接操作計算機的機器人，以及撒在冰箱內(nèi)就能監(jiān)控食物新鮮程度的“智能型灰塵”。

展望未來，機器人將不只是勞工、手術(shù)助理、指揮家、清潔人員和寵物，只要人類的想像力源源不絕，智能機器人也將為我們的生活帶來無限驚喜。

什么技術(shù)讓機器人更智能?

1模式識別

所謂模式，從廣義上說，就是事物的某種特性類屬，如：圖像、文字、語言、符號等感知形象信息；雷達、聲納信號、地球物探、衛(wèi)星云圖等時空信息動植物種類形態(tài)、產(chǎn)品等級、化學結(jié)構(gòu)等類別差異信息等等。模式識別是研究如何使機器具有感知能力，主要研究視覺模式和聽覺模式的識別。如

識別物體、地形，圖象、字體(如簽字)等。在日常生活各方面以及軍事上都有廣大的用途。近年來迅速發(fā)展起來應用模糊數(shù)學模式，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式的方法逐漸取代傳統(tǒng)的用統(tǒng)計模式和結(jié)構(gòu)模式的識別方法。特別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在模式識別中取得較大進展。代表性產(chǎn)品有光學字符識別系統(tǒng)(Optical CharacterRecognition，OCR)、語音識別系統(tǒng)等。計算機識別的顯著特點是速度快、準確性和效率高。識別過程與人類的學習過程相似。

最近我國研制成功的無人駕駛系統(tǒng)，就標志著我國研制高速智能汽車的能力已達到當今世界先進水平。汽車自主駕駛技術(shù)是集模式識別、智能控制、計算機學和汽車操縱動力學等多門學科于一體的綜合性技術(shù)，代表著一個國家控制技術(shù)的水平。自主駕駛系統(tǒng)采用計算機視覺導航方式，并采用仿人控制，實現(xiàn)了對汽車的操縱控制。

除此之外，指紋識別系統(tǒng)也是模式識別技術(shù)的一個具體應用。利用模式識別技術(shù)已成功建立了利用指紋灰度圖像計算紋線局部方向、從而提取指紋特征信息的算法，這一研究成果不僅適于民用身份鑒定也適用于公安刑事偵破的指紋鑒定。目前各地已經(jīng)建立指紋庫，而檢索一枚現(xiàn)場指紋僅需4分鐘時間。

2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是依靠人類專家已有的知識建立起來的知識系統(tǒng)，目前專家系統(tǒng)是人工智能研究中開展較早、最活躍、成效最多的領(lǐng)域，廣泛應用于醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探、石油化工、軍事、文化教育等各方面。它是在特定的領(lǐng)域內(nèi)具有相應的知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應用人工智能技術(shù)、模擬人類專家解決問題時的思維過程，來求解領(lǐng)域內(nèi)的各種問題，達到或接近專家的水平。隨著計算機科學技術(shù)整體水平的提高，分布式專家系統(tǒng)、協(xié)同式專家系統(tǒng)等新一代專家系統(tǒng)的研究也發(fā)展很快。在新一代專家系統(tǒng)中，不但采用基于規(guī)則的推理方法，而且采用了諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法與技術(shù)。

根據(jù)專家系統(tǒng)處理的問題的類型，把專家系統(tǒng)分為解釋型、診斷型、調(diào)試型、維修型、教育型、預測型、規(guī)劃型、設(shè)計型和控制型等10種類型。為了實現(xiàn)專家系統(tǒng)，必須要存儲有該專門領(lǐng)域中經(jīng)過事先總結(jié)、分析并按某種模式表示的專家知識庫，并擁有解決實際問題的推理機制。系統(tǒng)能借此做出決策和判斷，其解決問題的水平達到或接近專家的水平，因此能起到專家或?qū)＜抑值淖饔谩＠缪耗Y(jié)疾病診斷系統(tǒng)、電話電纜維護專家系統(tǒng)、花布圖案設(shè)計和花布印染專家系統(tǒng)等等。

3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial NeuralNetwork，簡稱ANN)是模擬生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)而提出的一種信息處理方法。它是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復雜的非線性問題，應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法則可迎刃而解。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，信息的處理是由神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)的，知識與信息的存儲表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連間分布式的物理聯(lián)系，網(wǎng)絡(luò)的學習和識別取決于和神經(jīng)元連接權(quán)值的動態(tài)演化過程。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量簡單的基本元件一一神經(jīng)元(neuron)相互連接而成的自適應非線性動態(tài)系統(tǒng)，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元，它一般是一個多輸入單輸出的非線性動態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)模型如所示。其中為神經(jīng)元內(nèi)部狀態(tài)，為閾值，為輸入信號，表示從輸入到的聯(lián)結(jié)權(quán)值。

一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元模型和結(jié)構(gòu)描述了一個網(wǎng)絡(luò)如何將它的輸入矢量轉(zhuǎn)化為輸出矢量的過程。這個轉(zhuǎn)化過程從數(shù)學角度來看就是一個計算的過程。也就是說，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實質(zhì)體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)輸入和其輸出之間的一種函數(shù)關(guān)系。通過選取不同的模型結(jié)構(gòu)和激活函數(shù)，可以形成各種不同的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到不同的輸入／輸出關(guān)系式，并達到不同的設(shè)計目的，完成不同的任務(wù)，所以在利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決實際應用問題之前，必須首先掌握人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)及其特性以及對其輸出矢量的計算。

多年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得了較大的進展，成為具有一種獨特風格的信息處理學科。當然目前的研究還只是一些簡單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。要建立起一套完整的理論和技術(shù)系統(tǒng)，需要做出更多努力和探討。然而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人工智能中極其重要的一個研究領(lǐng)域。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際應用中，絕大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是采用反向傳播(BP)網(wǎng)絡(luò)和它的變化形式，它也是前向網(wǎng)絡(luò)的核心部分，并體現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最精華的部分。多層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入節(jié)點、輸出節(jié)點，一層或多層隱節(jié)點。

BP網(wǎng)絡(luò)適宜于處理具有殘缺結(jié)構(gòu)和含有錯誤成分的模式，能夠在信源信息含糊、不確定、不完整，存在矛盾及假象等復雜環(huán)境中處理模式。網(wǎng)絡(luò)所具有的自學習能力使得傳統(tǒng)專家系統(tǒng)技術(shù)應用最為困難的知識獲取工作轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)的變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)過程，從而大大方便了知識庫中知識的記憶和抽取。在許多復雜問題中(如醫(yī)學診斷)，存在大量特例和反例，信息來源既不完整又含有假象，且經(jīng)常遇到不確定信息，決策規(guī)則往往相互矛盾，有時無條理可循，這給傳統(tǒng)專家系統(tǒng)應用造成極大困難，甚至在某些領(lǐng)域無法應用，而BP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則能突破這一障礙，且能對不完整信息進行補全。根據(jù)已學會的知識和處理問題的經(jīng)驗對復雜問題作出合理的判斷決策，給出較滿意的解答，或?qū)ξ磥磉^程作出有效的預測和估計。這方面的主要應用是：自然語言處理、市場分析、預測估值、系統(tǒng)診斷、事故檢查、密碼破譯、語言翻譯、邏輯推理、知識表達、智能機器人、模糊評判等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是未來人工智能應用的新領(lǐng)域，情感是智能的一部分，而不是與智能相分離的，因此人工智能領(lǐng)域的下一個突破可能在于賦予計算機情感能力。情感能力對于計算機與人的自然交往至關(guān)重要。

目前AI研究出現(xiàn)了新的高潮，這一方面是因為在人工智能理論方面有了新的進展，另一方面也是因為計算機硬件突飛猛進的發(fā)展。隨著計算機速度的不斷提高、存儲容量的不斷擴大、價格的不斷降低以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多原來無法完成的工作現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。目前人工智能研究的3個熱點是：智能接口、數(shù)據(jù)挖掘、主體及多主體系統(tǒng)。

毋庸置疑，未來的機器人與人類社會的生活更為密切地結(jié)合起來，以為人做出更多的服務(wù)作為要素。研究內(nèi)容主要包括餐飲服務(wù)多機器人系統(tǒng)、競技與娛樂多機器人系統(tǒng)、家庭生活支援多機器人系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究、系統(tǒng)集成試驗驗證和示范應用。

1餐飲服務(wù)多機器人系統(tǒng)

設(shè)計規(guī)劃智能餐飲服務(wù)模式、研究和突破機器人自動烹飪工藝及烹飪方法、智能餐飲多機器人間的交互及安全操作等關(guān)鍵技術(shù)，研制開發(fā)由迎賓／點菜、烹飪、送菜機器人組成的智能餐飲服務(wù)多機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)以機器人為主的餐廳服務(wù)系統(tǒng)集成和示范應用。這樣，我們通過點菜系統(tǒng)輸入喜歡的菜品。就可以在家里盡享五星級服務(wù)了。

2競技多機器人系統(tǒng)

研究競技與娛樂機器人的復雜動作的運動規(guī)劃與控制、高速視覺識別與伺服控制、多機器人間的協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制以仿人機器人為核心的武術(shù)，足球等競技與娛樂多機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)多機器人的協(xié)同武術(shù)表演與足球比賽、機器人與人的互動娛樂(圖9)。足球機器人就由四個部分組成，即視覺系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及移動裝置等，在賽場上可以實現(xiàn)自主踢球，不受外界控制。

3家庭生活支援多機器人系統(tǒng)

研究基于網(wǎng)絡(luò)的機器人遠程監(jiān)測與遙操作、自主導航與規(guī)劃技術(shù)、家政多機器人協(xié)調(diào)作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建面向家居監(jiān)控、家庭輔助作業(yè)等家庭生活支援多機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)家庭設(shè)備的遠程遙控與監(jiān)測、家庭輔助作業(yè)等功能。未來家庭機器人正朝著實用型的方向發(fā)展，一個合格的家庭機器人，還應當具備多項技能。例如檢測到家中有異常情況時，可將住宅內(nèi)的情形通過圖片形式發(fā)送到主人手機或個人電腦上。并能兼保姆和秘書，早上叫醒你，提醒你一天的日程安排，并轉(zhuǎn)達當天的電話留言等等。你將再也不必因為忘了老婆的生日或結(jié)婚紀念日而挨訓了。

帶個機器人女友回家，你準備好了嗎?

人工智能發(fā)展到今天，已經(jīng)將原來很多科幻電影中天馬行空的想象變成了現(xiàn)實，家家戶戶擁有機器人也許比擁有汽車更為實用和實際。不過，人工智能是否會發(fā)展到像電影《終結(jié)者》或《黑客帝國》中那樣與人類爭奪生存空間，目前我們還不得而知。但可以肯定的是，在未來的數(shù)年中，有著更高“智商”的機器人會不斷出現(xiàn)。帶個機器人女友回家，你準備好了嗎?