我的机器人女友
清晨,屋子已经打扫得一尘不染,桌子上是女友按照我喜欢的口味制作的早餐。我的女友温柔贤惠,从不使性子发脾气,也从不乱花钱买东西——因为她是一个机器人。自从有了她,我再也不用为生活琐事劳神了。这不,我今天临时起意想去旅行,二十分钟后,我们站在了院子门口,正在我准备招出租车的时候,令我意想不到的事情发生了——她竟然在我眼前五官扭曲、全身位移成了一辆车,还用雄壮威武的声音对我说:“地球人,想去哪儿?擎天柱竭诚为你服务!”
我的机器人女友是擎天柱!这一定是我最近研究机器人设计应用太过操劳的缘故。不过,身为一个技术宅,我要负责任地说,拥有一个知冷知热、全能管家,还懂自动驾驶的机器人并非痴人说梦。
家务,那都不算事儿
1999年,日本索尼公司推出机器犬爱宝(AIB0),当即销售一空,成为机器人迈进普通家庭的标志。随后更多功能的家用机器人如雨后春笋般地冒了出来,除了娱乐机器人外,还有电器机器人、厨师机器人、搬运机器人、不动机器人、移动助理机器人和类人机器人等等。
在它们之中电器机器人最受欢迎。2002年丹麦iRobot公司推出的吸尘器机器人R00mba是当前世界上销量最大最普及的家用机器人。它能自动检测房间的布局,规划打扫路径;能定时打扫,即使主人不在家也可以清洁房间;还能在电量不足时,自动驶向充电座。虽然它们还不像科幻作品里写的那般神通广大,但已经可以承担不少费时费力的家务劳动,成为人们家中的好帮手了。
目前的家用机器人跟梦想中贴心的机器人女友还有距离,不过随着近几年计算机科学与人工智能技术的发展,情感机器人的技术理论已经趋于成熟,具备拥有智能的情感机器人并不遥远。
真正意义的情感机器人不是简单地、机械地、表面地模拟人的某些情感表达和情感识别,而是具有与人类相似的情感思维。通常来讲由下面三个子系统组成。
擎天柱,已来到身边
不同于情感感知力受到技术桎梏的家用机器人,擎天柱一样的汽车机器人已经出现在现实生活里。2012年8月,谷歌宣布其研发改装的自动驾驶汽车已成功行驶30万英里(约合48.3万千米)。期间,所有驾驶控制均由电脑自动完成,整个行驶记录中无任何意外事故发生。虽然他们这项技术的普及运用还未真正展开,但谷歌工程团队负责人克里斯·厄姆森(Chris Urmson)表示:“我们希望终有一天可以让这一技术被更多人用于到他们的家庭汽车中。”
汽车自主驾驶的本质是由机器人像人一样来完成驾驶汽车的工作,是一项综合了计算机科学、模式识别、控制、汽车操纵、驾驶技术等理论的交叉科学。具体而言,如今的汽车自主驾驶系统主要包括环境感知与驾驶控制两大功能模块。
环境感知
笼统概括起来,它是指利用有关的环境传感器和定位定向传感器来确定车辆与道路、障碍的相互关系,以及车辆相对于全局导航坐标系的位置,速度,方向等信息。目前常见的环境传感器有:磁轨、可见光摄像机、激光雷达、毫米波雷达、全球定位系统、惯性导航系统、里程仪等。而用机器视觉的方法对摄像机采集的图像进行分析处理,以获得车辆导航信息是运用得较为广泛的一种环境感知方法。
驾驶控制
在环境感知器收集到各种信息后,驾驶控制模块则负责完成自主驾驶任务中除环境感知之外的所有功能。它像人类的大脑一样,首先将所有信息汇总分析形成一个整体的任务规划,其次依照规划来进行行为决策,最后将决策方案传导到汽车的各个零部件使其正常运转从而达成车辆的操作。
由于人类社会环境的多样性,已经研发成功的自主驾驶汽车依然处于试验阶段。就目前而言,自动驾驶汽车还需要学习应对并处理更复杂的道路情况,比如暴风雪、临时路牌、泥泞路面等。等到自主驾驶系统充分熟悉适应了我们道路环境之后,人们就可以从需要集中精神的驾驶过程中解放出来,充分享受路旁的美景和旅途的舒适了。
梦境,触手可及
幻想文艺作品和电影里看似神奇的机器人变形,在技术原理上其实并不复杂,甚至一些初级的变形机器人早已运用到航天和野外考察工作中。2003年4月,美国“勇气号”火星探测器顺利到达火星后,便从折叠状态申展开来成为“漫游者”六轮探测车。从原理上来看,现阶段已开发的模块化自变形机器人由许多模块构成,每个模块都有能量元、驱动元、传感器和控制元,是—个独立的有计算和通讯能力的智能体。模块的中心体是一个正方体,其六个面都可以绕中心旋转,两个以轴和孔连接的模块又可以进行伸缩平移和相对旋转。变形金刚的原理其实和这种模块化的机器人大体一致,都是由相同或不同组块连接后,通过平移、伸缩、折叠等动作来实现其外形的改变。
当然,在目前阶段已实现的机器人研发确实还处于功能单一型的阶段。不过随着各种各样的机器人更多地进入干家万户服务于普通生活,功能集成化的要求就会日益凸显。迎合这种需要推出集家务、安全保障、自主驾驶等功能于一体的自变形机器人必将成为未来机器人研发的一个重要方向。
情感机器人
认知系统
机器人认知系统需要通过建立庞大的形象数据库与抽象数据库来实现。其中,形象数据库主要通过机器人上的摄录装置以及各种类型的传感器采集事物的尺寸、形状、颜色、气味、声音、相对位置、运动特性等特性参数:抽象数据库通过机器视觉,语音识别以及仿生嗅觉等算法提取采集到的信息,形成针对各种事物的语言、文字、符号以及事物之间相互关系(时间关系、空间关系、隶属关系、逻辑关系、价值关系等)等特性参数。
情感系统
机器人情感系统分为情感识别和情感表达两部分的内容。情感识别通常是摄录装置采集到他人的不同模式的面部表情、语言声调表情与身体姿态表情所表达的价值内容进行识别,通过机器人内部建立的情感数据库进行对比和分析,来判断他人的情感状态。随着时间的推移机器人能够辨识更多的面孔,区分不同人的不同动作。机器人情感表达系统可以根据内部情感状态(喜怒哀乐等)的迁移通过脸部自由活动装置与人沟通,并通过面部表情表达高兴和忧郁之情。
行为实施系统
机器人行为实施系统是目前机器人专业学科中最为成熟的技术。它主要是源于传统的工业控制专业领域,通过不断发展完善形成了机器人的运动系统。主要包括了机器人的步行,平衡控制,定位与导航,机器人手臂的前向运动和逆向运动以及手臂姿态的协调。当然,实现“认知——情感——行为”协调一致的机器人开发,对于研发人员来说,还有不少需要克服的技术难点。不过,拥有一个知情识趣的机器伴侣一定是全天下所有技术宅的努力方向。