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| 本文作者： 大壯旅 | 2018-02-28 17:05 |
雷鋒網(wǎng)按，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們正在努力推動(dòng)新機(jī)器時(shí)代的到來，他們要讓蜷縮在工廠角落的機(jī)器們成為我們生活的日常。當(dāng)然，這些機(jī)器人會(huì)換變換其他形態(tài)示人。
歡迎來到新的機(jī)器時(shí)代，各路才能迥異的科學(xué)家都能使用先進(jìn)材料、廉價(jià)傳感器、3D 打印和強(qiáng)大的電腦來助力機(jī)器人研發(fā)的腳步了。
在上一個(gè)機(jī)器周期中，創(chuàng)新改變了我們的工廠和倉庫，不過這些機(jī)器人更適合在可控的環(huán)境中工作，大多數(shù)時(shí)間游離在公共視野之外。對(duì)哈佛和全球其他地方的研究者來說，新的目標(biāo)是讓機(jī)器們?cè)凇爸鞲傻馈鄙狭料??！霸诳苹眯≌f里，這樣的景象我們已經(jīng)耳濡目染 50 多年了?！?Robert Wood 說道，他是哈佛工程和應(yīng)用科學(xué)教授?！安贿^，這樣的機(jī)器人在哪呢？”
次世代機(jī)器人肯定要廣泛進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界，它們不但要在森林和田地中跋涉去干重體力活，還要載著人們出行。當(dāng)然，也少不了在廚房里做些家務(wù)。這可不是胡亂開腦洞的瞎猜，畢竟像亞馬遜這樣的零售巨頭，已經(jīng)開始著手用無人機(jī)送貨了，而自動(dòng)駕駛測(cè)試車也成了許多城市的新風(fēng)景，能掃地拖地擦窗戶的機(jī)器人也成了許多家庭的標(biāo)配。
不過，以上這些任務(wù)只是未來機(jī)器人的常規(guī)工作，在危急時(shí)刻它們還要做些精細(xì)的工作，如災(zāi)害搜救、幫殘疾人重新奔跑、修復(fù)受傷的心臟，甚至還要替人類打仗。
工程學(xué)教授 Robert Howe 就表示：“當(dāng)然，現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了不少技術(shù)，過去十年來的技術(shù)突破讓我們能打造足夠棒的機(jī)器人來解決現(xiàn)實(shí)問題了?！?/p>
“我們已經(jīng)造了許多大家根本意想不到的機(jī)器人”
哈佛最近在機(jī)器人領(lǐng)域的一系列動(dòng)作讓這潭死水重新活了起來。大學(xué)教授 George Whitesides 就提到，他在柔性機(jī)器人上的突破就與哈佛在柔性材料物理學(xué)和微觀流體上的成就密切相關(guān)。
最早推動(dòng)柔型機(jī)器人風(fēng)潮的是日本研發(fā)人員，那還是在上世紀(jì) 90 年代。最近，Whitesides、Wood 和一些大學(xué)的創(chuàng)新重新讓該領(lǐng)域動(dòng)了起來，為新的設(shè)計(jì)和特性趟出了一條路，機(jī)器人不再是僵硬的齒輪和杠桿驅(qū)動(dòng)的鐵疙瘩了。
“通過新材料的應(yīng)用，我們替換了老式控制機(jī)構(gòu)?！?Whitesides 說道。說這番話時(shí)，他正手握一個(gè)長(zhǎng)得像海星的橡膠夾鉗，只要充滿氣，它就能牢牢抓住某個(gè)物體。“如果沒有新材料和新技術(shù)，老式機(jī)器人根本沒有革新之日?！?/strong>
研究人員的努力創(chuàng)造了各種天馬行空的新型機(jī)器人，有些即使被車輛碾過，它們也能正常工作。此外，它們還用蠕動(dòng)和爬行代替了滾動(dòng)和生硬的前行。此外，這些機(jī)器人還連帶促進(jìn)了新制造工藝的發(fā)展，比如 3D 打印。更有趣的是，這些機(jī)器人成了《國(guó)家地理》雜志的內(nèi)容生產(chǎn)利器，在海底收集到了大量前所未見的珊瑚。當(dāng)然，創(chuàng)新也催生了大量新公司，新產(chǎn)品的商業(yè)化更是方便了包括農(nóng)場(chǎng)、倉庫和生產(chǎn)線在內(nèi)的各行各業(yè)。
“將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成商品的過程也相當(dāng)有趣。” Whitesides 說道。“機(jī)器人最先解決的問題是我意想不到的，而且整個(gè)商品化過程比我想象中要快得多?！?/strong>
哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室的 Sam Liss 指出，類似 Soft Robotics 這樣的新創(chuàng)公司已經(jīng)能提供相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)器人研發(fā)方式了。
“新創(chuàng)公司的結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)成熟?！彼f道?！皟H僅幾年而已，Soft Robotics、RightHand Robotics 和 Root Robotics 等公司就拔地而起了，未來肯定還會(huì)有更多公司加入其中。這樣的轉(zhuǎn)變對(duì)哈佛也是個(gè)啟示，我們不但要重視研發(fā)，各院系還要集中精力將研發(fā)成果轉(zhuǎn)化成有影響力的實(shí)際產(chǎn)品。”
哈佛機(jī)器人“勢(shì)力”的野蠻生長(zhǎng)主要靠鮑爾森工程和應(yīng)用科學(xué)院，生物工程系也功不可沒。教職工、學(xué)生和學(xué)會(huì)成員普遍反映，在機(jī)器人開發(fā)工具和設(shè)備上的大力投資對(duì)他們的工作影響頗深。
“對(duì)我的工作來說，這些工具實(shí)在太重要了，學(xué)生們和博士后終于有趁手的家伙了。”Wood 說道。
哈佛大學(xué)一直有個(gè)機(jī)器人專家核心團(tuán)隊(duì)，雖然只有十個(gè)人左右，但他們會(huì)定期進(jìn)行交流合作。專家團(tuán)隊(duì)海陸空機(jī)器人通吃，只要它們能協(xié)助人類完成工作。當(dāng)然，這些機(jī)器人也得反映出開發(fā)者的創(chuàng)新意識(shí)和思維。
“我們已經(jīng)造了許多大家根本意想不到的機(jī)器人”計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 Radhika Nagpal 說道?！皶?huì)飛的、能爬墻的、可穿戴的機(jī)器人都已經(jīng)成了現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在的機(jī)器人可狂野得多，它們更像是動(dòng)物，而非傳統(tǒng)印象中的輪式車輛或金屬骨架。”
這些機(jī)器人中的代表之一是 RoboBee，它由 Wood 一手開發(fā)，使用 Nagpel 的軟件來控制。這個(gè)昆蟲大小的飛行機(jī)器人不但能變身測(cè)量工具，還能在災(zāi)區(qū)、農(nóng)業(yè)病蟲害甚至戰(zhàn)區(qū)采集數(shù)據(jù)和圖片。這么小的體型，傳統(tǒng)的機(jī)械杠桿、齒輪等現(xiàn)成零部件完全用不上，它需要的可不只是天才設(shè)計(jì)師。
“就拿 RoboBee 來說，它用的零件市場(chǎng)上可買不到。”Wood 說道。“我們得一切從頭做起：新的制造工藝、啟動(dòng)器、傳感裝置、計(jì)算架構(gòu)甚至能源存儲(chǔ)都得一一攻克。另外，控制機(jī)器人動(dòng)作的算法也是從零開始，之前的老經(jīng)驗(yàn)都派不上用場(chǎng)了。雖然挑戰(zhàn)多多，但我們真心喜歡這個(gè)過程，不僅是研發(fā)成功后的喜悅和各種新功能，還有整個(gè)過程中沉淀下來的新技術(shù)?！?/p>
Wood 就舉了個(gè)例子：飛行機(jī)器人用到的傳感器和致動(dòng)器就能移植到生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中，因?yàn)槲?chuàng)手術(shù)設(shè)備（如內(nèi)窺鏡）的“體型”可是相當(dāng)重要。
工程和應(yīng)用科學(xué)教授 Walsh 指出，醫(yī)學(xué)機(jī)器人頗受業(yè)內(nèi)重視，主要原因就是它們對(duì)人類生活品質(zhì)的積極影響。眼下，Walsh 的試驗(yàn)室正在打造柔性外骨骼套裝，也許未來的一天，他們能讓中風(fēng)病人重新站起來，用自己的腳步丈量大自然。
哈佛機(jī)器人系在醫(yī)學(xué)機(jī)器人的研究上還有個(gè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，即哈佛醫(yī)學(xué)院及其下屬的 16 家醫(yī)院和研究機(jī)構(gòu)的支持，病人到底需要什么它們絕對(duì)心知肚明。
舉例來說，在美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究所的支持下，Howe 和波士頓兒童醫(yī)院的兒科主管 Pierre Dupont 已經(jīng)合作多年，他們要用機(jī)器人解決心臟外科手術(shù)。如果能取得成功，就能用微創(chuàng)手術(shù)代替現(xiàn)在痛苦的開胸手術(shù)了。
“對(duì)病人來說這絕對(duì)是個(gè)福音，創(chuàng)傷和風(fēng)險(xiǎn)都要小得多?！盌upont 說道。“我們?cè)谧龅?，是臨床醫(yī)生原來想都不敢想的?！?/strong>
“我們想做的是能真正提升人類生活質(zhì)量的產(chǎn)品”
Walsh 還將柔性外骨骼的技術(shù)授權(quán)給了 ReWalk Robotics 公司，后者有計(jì)劃今年推出用于臨床試驗(yàn)的產(chǎn)品，并在五年內(nèi)把概念變成商店里的商品。
“我們想做的是能真正提升人類生活質(zhì)量的產(chǎn)品”。Walsh 說道。
Walsh 的研究成果能在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用也有美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的一份功勞，雖然它們當(dāng)初是想借外骨骼技術(shù)打造超級(jí)士兵。不過，現(xiàn)在該技術(shù)卻成功下放到民用領(lǐng)域，不但能解決心臟外科手術(shù)，還有希望讓脊柱受傷、中風(fēng)病人重新站起來。
“柔性系統(tǒng)概念的前提是它必須足夠輕量化，沒有限制性且對(duì)人的生物特性有最小的影響，它的作用就像肌肉?！?/strong>Walsh 說道。“現(xiàn)在的問題是，這樣的系統(tǒng)真的對(duì)人的移動(dòng)能力產(chǎn)生積極作用嗎？”
從室內(nèi)跑步機(jī)和長(zhǎng)距離行軍測(cè)試來看，其增強(qiáng)效果約為 15%。除此之外，Walsh 的團(tuán)隊(duì)還在測(cè)試中幫中風(fēng)病人提高了行走效率，減少了肢體間的功能性不對(duì)稱。未來，團(tuán)隊(duì)還有其他高山要翻越，比如對(duì)外骨骼套裝進(jìn)行輕量化，加大系統(tǒng)助力并保證套裝與自然動(dòng)作同步。
除了要解決機(jī)器運(yùn)動(dòng)的問題，了解它們?nèi)绾嗡伎家餐瑯又匾?/strong>，這也是哈佛大學(xué)研究人員一直在深思的問題。工程和計(jì)算科學(xué)助理教授 Scott Kuindersma 在增強(qiáng)控制系統(tǒng)上有自己的觀點(diǎn)，他認(rèn)為這樣才能完整釋放機(jī)器人的潛力。
“在我看來，物理能力完全合格的機(jī)器人并不難造?！盞uindersma 說道?！安贿^這些機(jī)器人卻無法實(shí)現(xiàn)自己的動(dòng)態(tài)極限，在實(shí)際工作中也不夠穩(wěn)健。從根本上來講，這是個(gè)計(jì)算的問題?！?/strong>
最近，Kuindersma 的敏捷機(jī)器人試驗(yàn)室迎來了名為 Cassie 的兩足機(jī)器人，它看起來就像一只鴕鳥。Agility Robotics 公司設(shè)計(jì)的 Cassie 就是 Kuindersma 所說的物理能力完全合格的機(jī)器人。
“Cassie 用的還是 Agility Robotics 的老式控制器?！盞uindersma 說道?！八綄?shí)驗(yàn)室后，我們做的第一個(gè)工作就是刪掉這個(gè)控制器。隨后，我們會(huì)開發(fā)新的算法，爭(zhēng)取將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力推到極限，Cassie 將成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如果一切順利，未來我們將用它展示高速戶外運(yùn)動(dòng)能力，而整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中 Cassie 將利用高頻視覺傳感器反饋來規(guī)劃動(dòng)態(tài)行走的動(dòng)作?！?/p>
“想想那些在山澗中跳躍的山羊，如果它們不能迅速?zèng)Q定把腳放到哪，恐怕就會(huì)墜落山崖，而在那種復(fù)雜的地形下選個(gè)落腳地可不容易。我們想做的就是讓機(jī)器人也擁有像山羊一樣的能力?！盞uindersma 說道。
與 Kuindersma 專注于控制復(fù)雜動(dòng)作的意圖不同，Nagpal 更在意如何驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的群組行為。
“我們的實(shí)驗(yàn)室一直有經(jīng)由簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的傳統(tǒng)?！盢agpal 說道。“個(gè)體能力即使再強(qiáng)也有限制，因此我們更愿意靠群體的力量來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)合作也是自然界中的通行規(guī)律。”
“個(gè)體能力再強(qiáng)也有限制”
為了實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)，Nagpal 在多地研究了擅長(zhǎng)團(tuán)隊(duì)合作的動(dòng)物，如納米比亞的白蟻和巴拿馬的軍蟻，它們都是不需要進(jìn)行中央調(diào)配就能完成挑戰(zhàn)性十足任務(wù)的群居昆蟲。
“自然環(huán)境里就有典型范例，實(shí)現(xiàn)完美的合作不需要繁多的條件，我們也想復(fù)制這種模式?！?/strong>Nagpal 說道。“如果能成功，我們就能用上大量并不復(fù)雜的零部件，它們之間的協(xié)作也不復(fù)雜，但照樣能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的目標(biāo)。”
按照這一理念，Nagpal 開發(fā)了小型機(jī)器人 Kilobot，它只需遵循簡(jiǎn)單的指導(dǎo)方針，如位置和附近機(jī)器人的動(dòng)作。組成集群后，Kilobot 們就能執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)了。在一次展示中，這些小家伙們排成了類似海星的隊(duì)伍，但整個(gè)過程卻不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)大腦或控制系統(tǒng)。她的團(tuán)隊(duì)還在白蟻的啟發(fā)下開發(fā)了一款機(jī)器人，組成集群后就能在用戶指定區(qū)域工作。
“我們可以設(shè)定相關(guān)規(guī)則，讓它們總是能搭建正確的結(jié)構(gòu)?！盢agpal 說道?！岸?strong>你不用管這個(gè)群體到底有 10 臺(tái)還是 50 臺(tái)機(jī)器人，這些機(jī)器人也無需知道同伴的位置，它們甚至不需要知道自己的具體任務(wù)。”
在 Nagpal 看來，這種能集群工作的機(jī)器人潛在應(yīng)用場(chǎng)景很多，它們能快速做出災(zāi)害應(yīng)對(duì)，如幫救災(zāi)人員壘起沙袋墻。加上環(huán)境傳感器后，也能執(zhí)行勘探任務(wù)。Nagpal 的試驗(yàn)室還開發(fā)出了機(jī)器魚，這些廉價(jià)的機(jī)器人能充當(dāng)海底探測(cè)器，替換昂貴的潛艇。
Nagpal 指出，Kilobot 的誕生是技術(shù)快速發(fā)展的結(jié)果，新技術(shù)可不只是增加了新系統(tǒng)的復(fù)雜性，還大幅降低了成品零部件的價(jià)格。
“我原本認(rèn)為玩硬件就是浪費(fèi)錢，因?yàn)楫?dāng)時(shí)一臺(tái)機(jī)器人要價(jià) 10 萬美元?！盢agpal 說道?！安贿^現(xiàn)在我改變想法了，因?yàn)闄C(jī)器人的成本已經(jīng)降到了數(shù)百美元，我實(shí)驗(yàn)室里還有幾千個(gè)成本只要 20 美元的小家伙呢。”
Nagpal 已經(jīng)將 Kilobot 的技術(shù)授權(quán)給了 K-Team（一家小型機(jī)器人制造商），現(xiàn)在全世界已經(jīng)有 10 家試驗(yàn)室用上了 Kilobot，其中有兩家甚至組建了規(guī)模達(dá) 1000 臺(tái)的 Kilobot 集群。
“Kilobot 創(chuàng)造了一個(gè)活力十足的研究領(lǐng)域，其他實(shí)驗(yàn)室用它打造的新系統(tǒng)我自己都不敢想象?！盢agpal 說道。
章魚一直是柔性機(jī)器人的靈感來源
教授們努力開發(fā)新一代機(jī)器人的同時(shí)，大學(xué)生們也在不斷積累知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，他們將成為 21 世紀(jì)下半葉機(jī)器人開發(fā)的中堅(jiān)力量。在這之后，還有無數(shù)的創(chuàng)新者正處在萌芽階段，他們可能正在實(shí)習(xí)，也可能正通過哈佛的機(jī)器人俱樂部接觸機(jī)器人或者坐在教室里聽講。如果你在哈佛的課程中搜索“機(jī)器人”這個(gè)詞語，能得出包括微型機(jī)器人、人工智能、控制理論等多種多樣的課程。
“非正式機(jī)器人也正在成為設(shè)計(jì)和打造機(jī)器人的新范式?！惫鹪O(shè)計(jì)學(xué)院講師 Chuck Hoberman 說道。眼下，在高科技實(shí)驗(yàn)室做復(fù)雜龐大的機(jī)器人已經(jīng)不再流行，學(xué)生拿起手邊的日常材料配合廉價(jià)的計(jì)算機(jī)零件打造機(jī)器人才是新趨勢(shì)。
“哈佛開設(shè)此類課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維?！盚oberman 說道?！翱吹綄W(xué)生的作品你肯定會(huì)非常驚訝，因?yàn)橛械纳踔林皇羌埰退芰隙?。不過，配上快速成型技術(shù)和一些市場(chǎng)上就能買到的電子元件，我們的學(xué)生能讓一片紙?jiān)诩抑凶杂陕?，這片紙甚至還能根據(jù)周圍環(huán)境改變自己的路線。見證奇跡的時(shí)刻就是設(shè)備打開的那一刻，對(duì)于年輕設(shè)計(jì)師來說這也是相當(dāng)重要的經(jīng)驗(yàn)?！?/p>
在課堂之外學(xué)生們的動(dòng)手能力也有不同程度的提高，去年哈佛本科生機(jī)器人俱樂部就解決了一系列的設(shè)計(jì)問題。俱樂部成員表示，雖然大家來自不同院系，精通計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程和電子工程的大牛都有，但機(jī)器人是一個(gè)跨學(xué)科項(xiàng)目，因此大家必須齊心協(xié)力。
年僅 17 歲的 Shaan Erickson 認(rèn)為這個(gè)俱樂部對(duì)她的思路影響很大，未來她想在汽車行業(yè)一展才華?！八屛掖箝_眼界，見識(shí)到了一個(gè)全新的領(lǐng)域，我愿意為它貢獻(xiàn)自己的一份力量?！?/p>
Via. The Harvard Gazette
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