張迪飛+趙新軍

1 引言

1920年，一名捷克作家發(fā)表了一部名為《羅薩姆的萬能機器人》的劇本，里面第一次出現(xiàn)robot（機器人），自此開始有了機器人較為具體的概念?，F(xiàn)如今機器人的問世已經(jīng)有了幾十年，而對它的定義，卻仍然是仁者見仁，智者見智，日新月異的機型， 飛速發(fā)展的技術(shù)，無一不體現(xiàn)了人們對于機械與完美永無止境的探索與努力。

在現(xiàn)代，機器人出現(xiàn)了很多類別，與人們的生活密不可分。工業(yè)機器人支撐著工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療機器人在醫(yī)療領(lǐng)域大放光彩，農(nóng)業(yè)機器人的出現(xiàn)大大解放了農(nóng)村的勞動力，軍用機器人逐步承擔(dān)著各種危險或是精細(xì)的任務(wù)，而娛樂、服務(wù)型機器人則解更多地解決了一些社會性的問題……。本文基于TRIZ理論，對機器人的歷史發(fā)展演變以及行業(yè)概況進(jìn)行了分析探究，可以為機器人的進(jìn)一步研究提供一些理論參照。

2 機器人發(fā)展史

從歷史角度看來，機器人的發(fā)展史大概分為三個階段：古代機器人、現(xiàn)代機器人和未來機器人?！皺C器人”是存在于多種語言和文字中的新造詞，直到20世紀(jì)中葉，“機器人”才作為專業(yè)術(shù)語加以引用，然而這時作為機器人的概念在人類的想象中卻已存在三千多年了。

2.1 古代機器人

古代機器人更像一種“機械玩偶”，并不符合現(xiàn)代對于機器人的定義。它們大多不具備自主能力，也不能分辨外部的信號或刺激，更多地是娛樂性的成分。它們最為精彩奪目的地方就是它們的機械結(jié)構(gòu)，常常通過齒輪齒條等簡單結(jié)構(gòu)，就能組合出有一定復(fù)雜程度的運動。在材料上也大多使用木頭、金屬、布料等很平常的材料。但是這些在當(dāng)時仍是代表著最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的優(yōu)秀作品。

世界上最早的機器人誕生在中國，《列子·湯問篇》中記載西周穆王時期，有位叫偃師的能工巧匠制作了一個"能歌善舞"的木質(zhì)機關(guān)人；春秋戰(zhàn)國時期的魯班做出了可以在天空中飛行的“木鵲”；三國時期蜀相諸葛亮發(fā)明了木牛流馬；南北朝時期杰出的科學(xué)家祖沖之制造出一種可以日行一百余里的“千里船”。

在日本，最為經(jīng)典的是活動玩偶（指機件制動的玩偶），使用發(fā)條結(jié)構(gòu)，其制作盛行于日本江戶時代，最具代表性的有廣為人知的“端茶玩偶”（見圖1）。將茶杯放在玩偶雙手端著的茶盤上，它就會晃著腦袋，慢慢挪動雙腳，來到客人面前?？腿硕似鸩璞屯Ｖ骨斑M(jìn)，客人喝完茶將茶杯再次放在茶盤上時，他就會一個轉(zhuǎn)彎，調(diào)頭返回原處。

瑞士鐘表匠德羅斯父子三人合作制造出三個像真人一樣大小的機器人——寫字偶人、繪圖偶人和彈風(fēng)琴偶人（見圖2）。它們是靠彈簧驅(qū)動、凸輪控制的自動機器，至今還作為國寶保存在瑞士納切爾市藝術(shù)和歷史博物館內(nèi)。

2.2 現(xiàn)代機器人

在1976年第一屆機器人學(xué)術(shù)會議上，提出了兩條代表性的機器人定義，一個是森政弘和田周平提出的“機器人是一種具有移動性、個體性、智能性.、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器”。另一個是加藤一郎提出的“（1）具有腦、手、腳等三要素的個體；（2）具有非接觸傳感器（用眼、耳接受遠(yuǎn)方信息）和接觸傳感器；（3）具有平衡覺和固有覺的傳感器”。

現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。在這個階段，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機器人的相關(guān)技術(shù)也變得迅速高深起來，并且改革換代的速度也大大加快，原理和結(jié)構(gòu)都變得復(fù)雜多樣化。這個時期的機器人的自主性和可操控性大大提升，可以極大地適應(yīng)使用環(huán)境，部分機器人已經(jīng)完全可以替代人類進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。

現(xiàn)代機器人門類眾多，總的來說可以分為：工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、娛樂機器人、醫(yī)療機器人、仿生機器人、網(wǎng)絡(luò)機器人、軍用機器人、特種機器人（這些分類的界限不是十分明晰，部分概念可能會稍有重疊）。

現(xiàn)代機器人的發(fā)展可以分為三個階段。第一階段：可編程機器人，屬于示教再現(xiàn)型，可根據(jù)操作員所編的程序，完成一些簡單的重復(fù)性操作。如一些工業(yè)機器人，他們只能根據(jù)提前編好的程序進(jìn)行工作，工作環(huán)境和工作對象較為單一，不具備自主性（見圖3）。第二階段：感知機器人，也稱自適應(yīng)機器人，是在第一代的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有不同程度的“感知能力”。這個階段的機器人已經(jīng)可以識別一定的工作對象或者工作環(huán)境，但是感知仍是有限范圍內(nèi)的，如管道機器人（見圖4），它可以識別不同的管道路線或口徑從而調(diào)整自己的履帶來適應(yīng)工作環(huán)境。20世紀(jì)90年代以來，在生產(chǎn)企業(yè)中這類機器人的臺數(shù)正逐年增加。第三階段：智能機器人，具有識別、推理、規(guī)劃和學(xué)習(xí)的智能機制，可以把感知和行動智能化結(jié)合在一起，能在特殊環(huán)境下作業(yè)。這種機器人對技術(shù)和材料的要求性較高，具有很大的自主性和獨立性，有一些智能機器人已具備良好的傳感性和交互性，在現(xiàn)代家庭生活中占有一席之地，逐漸擔(dān)任如家庭保姆這類更加重要的角色（見圖5）。總的來說，智能機器人仍處在不斷探索的過程中。

3 TRIZ理論在機器人發(fā)展中的分析

3.1 kibo機器人

Kibo（見圖6）是一款玩具機器人（有時也稱教育機器人），它是由KinderLab機器人公司推出的一款專門為4～7歲兒童設(shè)計的機器人學(xué)習(xí)套件和編程平臺。在這個平臺上，兒童可以用木塊來為這款機器人編程。它運用了分割的原理，將物體分割成了互相獨立的部分；也使用了局部質(zhì)量原理，使組成物體的每一部分都最大限度地完成任務(wù)。兒童通過自己的選擇，對積木進(jìn)行不同的組合，而每塊積木代表不同的編程，kibo就會讀取組合后的特定編程并會做出相應(yīng)的動作。同時孩子們也可以通過不同的模塊組合以及編碼塊的順序組合來學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的編碼知識和工程知識。

3.2 人形機器人與“恐怖谷”理論

在人形機器人領(lǐng)域，有一條經(jīng)典的森政弘“恐怖谷”理論：“隨著機器人和人類相似度不斷增加，最初階段中人類有很強的興奮感，但是當(dāng)相似度達(dá)到一定程度反而會造成強烈的抵抗和厭惡的情緒。到最后，隨著相似度到達(dá)一個更加高的水平，人們對機器人的態(tài)度又會再次轉(zhuǎn)化為喜愛?！边@條理論充分說明了變有害為有益這條原理。變有害為有益就是加大一種有害因素的程度使其不再有害，這可以通過兩個經(jīng)典的機器人來說明：

Pepper機器人（見圖7）是由日本軟銀集團(tuán)和法國Aldebaran Robotics研發(fā)的人形機器人。它可綜合考慮周圍環(huán)境，并積極主動地作出反應(yīng)。它的外觀，正是屬于并不是和人類十分接近的形態(tài)，推出之后大受歡迎。

同樣是日本推出的人形機器人Erica（見圖8），則做到了聲音表情都非常接近人類。它的功能和pepper十分接近，但是因為外觀與人類極其相似，制作工藝十分精良，也備受大家喜愛。而在它之前推出的各種“美女機器人”系列之中，有很多機器人卻因為外形與人類有些相似卻不夠精細(xì)而遭到了大家的否定。

此外，對于人形機器人來說，其皮膚采用同質(zhì)化原理，而它的骨骼則采用了復(fù)合材料，以求和人類更為接近，增加親切感。

3.3 昭和花子二代機器人

昭和花子二代機器人（見圖9）是東京昭和大學(xué)開發(fā)的牙科訓(xùn)練模擬機器人。它有著相當(dāng)逼真的女性容貌，會通過眨眼、吞咽口水或者咳嗽等動作來模擬病人的不適反應(yīng)，讓實習(xí)牙醫(yī)能夠盡快熟練掌握各種牙科手術(shù)。它與一代相比最為突出的特點就是更致力于與人的反饋，引入反饋原理以改善過程或動作。通過更為真實更貼近人的行為反應(yīng)，來起到應(yīng)有的作用。它在材料上同樣應(yīng)用了同質(zhì)性和復(fù)合材料的原理。

3.4 RI-MAN 機器人

RI-MAN機器人（見圖10）是由日本名古屋理研生物模擬控制研究中心開發(fā)的醫(yī)用搬運工模型。它的特點在于應(yīng)用了參數(shù)變化、機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的替代和預(yù)補償。RI-MAN身高158厘米，重約100公斤，全身覆蓋著厚約5毫米的柔軟硅材料，極大地提高了它的柔性，使其在搬運病人時不會傷害到病人。而且它的身上有5個部位安裝了柔軟的觸覺傳感器，能感受一定的壓強，還配置了視覺、聽覺和嗅覺傳感器，可根據(jù)聲源定位并通過視覺處理找到呼喚它的人，理解聲音指令，然后橫抱起模擬被護(hù)理者的人偶。除流暢地完成這一系列動作外，它還能夠通過嗅覺傳感器來判斷懷抱的護(hù)理對象的健康狀況。負(fù)責(zé)設(shè)計“RI-NAM”的研究人員說，他們參照人類的神經(jīng)系統(tǒng)，利用特定的構(gòu)造和裝置分別模擬人類的大腦、小腦和脊髓，成功開發(fā)出了可對機器人全身進(jìn)行操控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。研究人員說，在緊急時刻，這種機器人能像人類條件反射一樣對外界環(huán)境作出快速反應(yīng)。

3.5 QB會話機器人

Anybots公司推出了QB會話機器人（見圖11），該機器人是一臺人類大小的機械裝置，裝置上攜帶了揚聲器、麥克風(fēng)、攝像頭和顯示屏。用戶可以通過使用瀏覽器和鍵盤來控制QB機器人，機器人所看到的即為操作者所見。使用者還可以讓機器人走動并且與遠(yuǎn)在世界的另一端的人互動。它運用的是等勢性、反向和中介物的原理，使物體中運動部分靜止，靜止部分運動，它可以變成“你的化身”，在使用者不方便的時候代替他進(jìn)行移動和交流。

3.6 PoseiDRONE 機器人

如今，柔性技術(shù)已經(jīng)成為機器人領(lǐng)域的研究熱點。歐洲研究機構(gòu)BioRobotics開發(fā)的章魚機器人PoseiDRONE（見圖12）就應(yīng)用了參數(shù)變化、維數(shù)變化和柔性殼體或薄膜的理論。它的重量僅不到1kg，全身將近80%的部分由柔軟的人造橡膠構(gòu)成。較高的柔性能夠使機器人自主改變身體的形狀，四肢可以多維度變化，擁有很高的靈活性，能夠適應(yīng)更多復(fù)雜的環(huán)境。

4 機器人未來預(yù)測

未來的機器人將會越來越趨于專業(yè)化，在一些精細(xì)度較高或操作環(huán)境較為特殊的環(huán)境下還有替代人類的趨勢，在未來的生產(chǎn)生活中，機器人將占有很大的比例，各行各業(yè)都有可能在機器人技術(shù)的推動下發(fā)生翻天覆地的變化。醫(yī)療機器人的發(fā)展空間十分廣闊，當(dāng)解決機器人的自主性問題時，它們將會出現(xiàn)在更多門類的手術(shù)上，精細(xì)程度高，不會疲倦，不會受到感染這些都是它們的有利條件。機器人還可以替代人類身體損傷的部分在人體中繼續(xù)工作。在軍用方面更是急需更為先進(jìn)的機器人，一旦爆發(fā)戰(zhàn)爭，機器人可以替代人類統(tǒng)治未來戰(zhàn)場，進(jìn)入一些危險的場地進(jìn)行探查，可以極大降低戰(zhàn)場上的犧牲人數(shù)。此外，針對操作環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，以及機器本身的可操作性，未來機器人也會向柔性、多維方向發(fā)展，以改變現(xiàn)有機器人靈活度不夠的問題，結(jié)合預(yù)補償可以更好適應(yīng)工作環(huán)境以求得盡可能大的效益。現(xiàn)代機器人中第一階段第二階段的機器人均會向第三階段慢慢過渡，在此之下必然要求新的技術(shù)和材料的出現(xiàn)，可能會有低成本、不耐用的材料來替代貴重耐用的材料，而拋棄與修復(fù)和自服務(wù)也是考驗機器人智能化程度的關(guān)鍵所在。新的科學(xué)技術(shù)推動著機器人的發(fā)展，而在先進(jìn)機器人參與之下，科研進(jìn)程也會被更加迅猛地向前推進(jìn)。在智能化的大環(huán)境下，智能機器人也必然是未來發(fā)展的大趨勢。無人駕駛的汽車、可以隨天氣變化而變化的衣物、全由機器人來擔(dān)任其中工作的無人工廠等，這些也將步入現(xiàn)實，機器人將會使人們的生活更為便捷。

未來的機器人會更加細(xì)致全面滲透入人們的生活。然而因為其存在的獨特性，法律和倫理道德有可能也會做相應(yīng)的變動。如果我們允許未來機器人擁有情感，毫無疑問這將引領(lǐng)人們進(jìn)入更深層次的智能時代，機器人將會在家庭生活中擔(dān)任保姆角色，完全地照顧我們的老人和小孩，全面地照顧我們的生活起居，也可以在工作中成為得力的助手，為有效收集和分析信息，并且以一個“獨立”的身份做出合理的建議?？偠灾磥頇C器人還會有很大的發(fā)展，會愈加接近人們的理想狀態(tài)，對于機器人的觀念，也會有很大的改變，而機器人的界限和定義，會變得更加寬泛。

5 小結(jié)

機器人的發(fā)展歷經(jīng)多年，從開始僅作為賞玩的工具，到現(xiàn)在發(fā)揮著越來越重要的作用，而伴隨著科技的發(fā)展更是以日新月異的速度在不斷進(jìn)步。機器人的未來，也必會有一番很大的變化，未來的生活、工作、學(xué)習(xí)都將離不開它。從古代機器人到現(xiàn)代機器人，機器人的發(fā)展歷程體現(xiàn)了諸多的TRIZ原理的應(yīng)用，而現(xiàn)在的較為先進(jìn)的機器人其中的特點也往往是某條或某幾條原理的最優(yōu)化體現(xiàn)。結(jié)合TRIZ理論，機器人的發(fā)展可以走得更好、更符合人類的要求。而機器人，也可以適應(yīng)各種各樣的環(huán)境，在不同的領(lǐng)域中盡職盡責(zé)地發(fā)揮著自己的作用。

責(zé)編/馬銘陽