【摘要】 “機(jī)器人”作為專有名詞加以引用只有幾十年的歷史，但是機(jī)器人的概念存在于人類的想象中已有約三千多年的歷史了。近年來，機(jī)器人的研究與應(yīng)用取得了空前的發(fā)展，機(jī)器人的時(shí)代已漸行漸近。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對提高創(chuàng)新能力、增強(qiáng)國家綜合實(shí)力、帶動整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重要的意義，機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用已成為塑造創(chuàng)新發(fā)展新優(yōu)勢的“必爭之地”。人工智能和莫拉維克悖論是制約當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展兩大瓶頸。當(dāng)前人工智能研究的難點(diǎn)不僅在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，更多的是在深層次對認(rèn)知的解釋與構(gòu)建方面。莫拉維克悖論則說明，最難以復(fù)刻的人類技能是那些無意識的技能。機(jī)器人的發(fā)展也引起了一些顧慮，包括安全問題、恐怖谷理論和機(jī)器人威脅論等。當(dāng)今乃至可見的未來，人與機(jī)器人之間的關(guān)系不應(yīng)該是取代而是共存，未來的世界可能是人與機(jī)器人共在。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)器人  人工智能  莫拉維克悖論 恐怖谷  認(rèn)知科學(xué)

【中圖分類號】F752                      【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2016.15.003

引言

近年來，隨著高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能感知、人工智能、新材料等技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的研究與應(yīng)用取得了空前的發(fā)展，已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工業(yè)中，現(xiàn)在又開始進(jìn)入人們的日常生活。無論人們是歡迎還是擔(dān)憂，機(jī)器人的時(shí)代已漸行漸近。

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對提高創(chuàng)新能力、增強(qiáng)國家綜合實(shí)力、帶動整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有十分重要的意義。世界主要大國都將機(jī)器人的研究與應(yīng)用擺在本國科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。2011年，美國推出國家機(jī)器人計(jì)劃（National Robotics Initiative, NRI）；2012年，韓國發(fā)布《機(jī)器人未來戰(zhàn)略2022》；2014年，歐盟啟動“SPARC計(jì)劃”；2015年，日本發(fā)布《機(jī)器人新戰(zhàn)略》（Japan's Robot Strategy），縱觀這些主要國家的發(fā)展戰(zhàn)略，機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用已成為塑造創(chuàng)新發(fā)展新優(yōu)勢的“必爭之地”。

同樣，在我國無論是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略還是“中國制造2025”戰(zhàn)略，機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都是重要內(nèi)容。今年（2016年）4月，我國發(fā)布了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年），對機(jī)器人作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域作出總體部署，以推進(jìn)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展。

機(jī)器人的定義與分類

“機(jī)器人（Robot）”一詞出現(xiàn)的歷史并不長。1921年，捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（Karel Capek, 1890-1938）創(chuàng)作了科幻舞臺劇《羅素姆的萬能機(jī)器人》（Rossum'sUniveral Robots），劇本中首次使用了機(jī)器人的英文“Robot”一詞。“Robot”這個(gè)詞來源于捷克單詞“Robota”，意為“努力工作”或“奴役”。

機(jī)器人三定律。在卡雷爾·恰佩克創(chuàng)造機(jī)器人（Robot）一詞21年后，著名科幻小說家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）在于1942年發(fā)表的作品《我，機(jī)器人》（I, Robots）中第一次明確提出了“機(jī)器人三定律”（Three Laws of Robotics）。即：（1）機(jī)器人不得傷害人類，或因不作為（袖手旁觀）使人類受到傷害；（2）除非違背第一法則，機(jī)器人必須服從人類的命令；（3）在不違背第一及第二法則下，機(jī)器人必須保護(hù)自己。

“機(jī)器人三定律”只是一個(gè)文學(xué)概念，并不是一個(gè)嚴(yán)密科學(xué)的定律，內(nèi)部各法則之間也有對抗性，現(xiàn)實(shí)中在人工智能安全研究和機(jī)器人倫理學(xué)領(lǐng)域的很多專家并不認(rèn)可它，沒有人將它作為指導(dǎo)方案。甚至，即便在阿西莫夫自己的科幻小說里它也會出問題。但是，“機(jī)器人三定律”仍然在媒體、網(wǎng)絡(luò)和科幻愛好者群體中產(chǎn)生了廣泛的影響，很多人對機(jī)器人最初的認(rèn)識都是伴隨著“機(jī)器人三定律”而來的。

機(jī)器人的定義。各國相關(guān)組織機(jī)構(gòu)對機(jī)器人的定義主要有以下幾種：

（1）美國機(jī)器人協(xié)會（RIA）的定義：機(jī)器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手”。

（2）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會（JIRA）的定義：工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器”。

（3）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。

（4）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義：機(jī)器人是“一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。

在我國，對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。”

機(jī)器人的分類。機(jī)器人定義上的模糊和多樣，使得機(jī)器人在分類上也有很多方法。常見的有按運(yùn)動方式、智能程度、按機(jī)器人用途分類。

按機(jī)器人運(yùn)動方式分類可以分為：固定式機(jī)器人和移動機(jī)器人，移動機(jī)器人又可以分為：輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足式機(jī)器人、飛行機(jī)器人、水下機(jī)器人等。

按機(jī)器人智能程度可以分為：一般機(jī)器人、智能機(jī)器人。智能機(jī)器人根據(jù)其智能水平又可分為：傳感型機(jī)器人、半自主機(jī)器人、自主型機(jī)器人。按用途分類是根據(jù)不同的應(yīng)用行業(yè)和工作任務(wù)進(jìn)行分類，是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)最常用也是最常見的分類方法。一般可以分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。

機(jī)器人的歷史

盡管“機(jī)器人”作為專有名詞加以引用只有幾十年的歷史，但是機(jī)器人的概念存在于人類的想象中已有約三千多年的歷史了。

中國古代的機(jī)器人。我國古代最早關(guān)于機(jī)器人的記錄是《列子·湯問篇》中“能倡者”的故事：工匠偃師給周穆王獻(xiàn)上了一個(gè)木偶，木偶外表看起來和人類完全一樣?！侗笔?middot;列傳卷七十一》記載隋煬帝為了與寵臣柳?隨時(shí)相見，便令人模仿他的模樣造了一個(gè)“偶人”。唐朝《朝野僉載》中記載一個(gè)可以行乞的木僧，木僧可以發(fā)出聲音，寬泛的說，這可以算作具有“語音”功能的“機(jī)器人”了。

其它類似記載還有很多，如《三國志·諸葛亮傳》中的木牛流馬、《墨子·魯問》中公輸子削木為鵲的故事，等等。雖然古籍中對這些機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并沒有詳細(xì)介紹，很有可能只是古人虛構(gòu)的作品，但卻表明了古人對機(jī)器人的豐富想象。

國外古代的機(jī)器人。國外有關(guān)機(jī)器人的記載可以追溯到古希臘，據(jù)荷馬史詩《伊利亞特》記載，火神兼匠神赫淮斯托斯（Hephaistus）創(chuàng)造出了一組金制機(jī)械助手。他的這些機(jī)械助手身體強(qiáng)健、可以說話，且非常聰明。

文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci）設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械騎士，也就是著名的達(dá)芬奇機(jī)器人（Leonardo's Robot），也叫日耳曼裝甲騎士。這個(gè)機(jī)器人被設(shè)計(jì)成一個(gè)騎士的模樣，可以做出一些動作，包括坐起、揮動胳膊、搖頭及張閉嘴巴等。后來人們根據(jù)達(dá)芬奇的手稿，復(fù)制了達(dá)芬奇機(jī)器人。

18世紀(jì)后期，瑞士鐘表名家德羅及其兒子和徒弟，分別制造了3個(gè)小機(jī)器：寫字人偶、繪圖人偶、彈風(fēng)琴人偶?，F(xiàn)在它們還被收藏于瑞士那切特爾藝術(shù)與歷史博物館中。

近代機(jī)器人。1954年，美國發(fā)明家喬治·德沃爾（GeorgeDevol）申請了一項(xiàng)關(guān)于可編程通用自動化設(shè)備的專利，德沃爾的專利第一次實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式可編程機(jī)器人，標(biāo)志著現(xiàn)代機(jī)器人工業(yè)的建立。后來，德沃爾同他的合作伙伴約瑟夫·恩格爾伯格（Joseph Engel Berger）創(chuàng)建了世界上第一家機(jī)器人企業(yè)Unimation。1962年，NormanHeroux根據(jù)上述專利制造了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人Unimate，這臺機(jī)器人首先應(yīng)用在了通用汽車的裝配生產(chǎn)線上。同年，美國機(jī)床鑄造公司（AMF）研制出了Verstran機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動，機(jī)械臂可以繞底座旋轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降或沿半徑方向伸縮。它們的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似，但外形特征迥異，主要由機(jī)械臂組成。Unimate和Versatran是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人，人類社會從此邁入了機(jī)器人時(shí)代。

1960年代，傳感器開始應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。1966年，斯坦福大學(xué)研究所人工智能研究中心開始研制世界上第一臺具有自主能力移動機(jī)器人——Shakey。Shakey于1972年研制成功，綜合了機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等方面的知識，是第一臺混合了邏輯推理和物理動作的機(jī)器人，開創(chuàng)了許多先例。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，人工智能開始與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，一方面，機(jī)器人為人工智能提供了一個(gè)很好的試驗(yàn)平臺和應(yīng)用領(lǐng)域；另一方面，人工智能也讓機(jī)器人的功能和運(yùn)行更加智能。隨著自動控制理論、機(jī)電技術(shù)及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。1974年，CincinnatiMilacron公司推出第一臺計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，命名為“The Tomorrow Tool”，可以舉起45.36kg重的物體，并可以跟蹤裝配線上的移動物體。1975年，IBM公司研制出一個(gè)帶有觸覺和力覺傳感器的機(jī)械手，由計(jì)算機(jī)控制，可以完成有20個(gè)零件的打字機(jī)機(jī)械裝配工作。

機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀。進(jìn)入21世紀(jì)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展逐漸趨向成熟，而服務(wù)機(jī)器人則持續(xù)快速發(fā)展，受到越來越多的關(guān)注。在仿人機(jī)器人、仿生機(jī)器人、家用機(jī)器人等方面都取得了重要進(jìn)展。

在仿人機(jī)器人方面，日本本田公司于2000年發(fā)布了首款仿人機(jī)器人ASIMO，經(jīng)過不斷的改進(jìn)和升級，2011版ASIMO已經(jīng)可以同時(shí)與多人進(jìn)行對話，遭遇其他正在行動中的人時(shí)，ASIMO會預(yù)測對方行進(jìn)方向及速度，自行預(yù)先計(jì)算替代路線以免與對方相撞?？梢圆叫?、奔跑、倒退走，還可以單腳跳躍、雙腳跳躍，也可以在些微不平的地面行走，甚至能邊跳躍邊變換方向。奔跑速度可以達(dá)到9km/h。它的手可轉(zhuǎn)開水瓶、握住紙杯、進(jìn)行倒水，手指動作更纖細(xì)，甚至可以邊說話邊以手語表現(xiàn)說話內(nèi)容。

其他的人形機(jī)器人還有很多，例如波士頓動力公司2013年發(fā)布的雙足人形機(jī)器人Atlas，它有四個(gè)液壓驅(qū)動的四肢。Atlas由航空級鋁和鈦建造，身高約6英尺（1.8米）高，重達(dá)330磅（150公斤），藍(lán)光LED照明。它配備了兩個(gè)視覺系統(tǒng)——一個(gè)激光測距儀和一個(gè)立體照相機(jī)，由一個(gè)機(jī)載電腦控制。它的手具有精細(xì)動作技能，它的四肢共擁有28度的自由度。2013年的原型版本被系鏈到外部電源來保持穩(wěn)定，Atlas可以在崎嶇的地形行走和攀登獨(dú)立使用其胳膊和腿。Atlas參加了由國防高等研究計(jì)劃署（DARPA）舉辦的機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，一同參加比賽的還有很多其它研究團(tuán)隊(duì)的人形機(jī)器人，它們都具有很高的研究水平。

在仿生機(jī)器人方面，與Atlas同出自波士頓動力公司的四足仿生機(jī)器人BigDog同樣取得了巨大的成就。它沒有車輪或者履帶，而是采用四條機(jī)械腿來運(yùn)動。機(jī)械腿上面有各種傳感器，包括關(guān)節(jié)位置和接觸地面的部位。它還有一個(gè)激光回轉(zhuǎn)儀，以及一套立體視覺系統(tǒng)。BigDog有1米長，0.7米高，75千克重，幾乎相當(dāng)于一頭小騾子的體積。目前能夠以每小時(shí)5.3公里的速度穿越粗糙地形，并且負(fù)載154千克的重量。它還能夠爬行35度的斜坡。其運(yùn)動是由裝載在機(jī)身上的計(jì)算機(jī)控制的，這臺計(jì)算機(jī)能夠接收機(jī)器上各種傳感器傳達(dá)的信號，導(dǎo)航和平衡也由這個(gè)控制系統(tǒng)控制。

在醫(yī)療機(jī)器人方面，2000年左右研制成功并使用的達(dá)芬奇外科手術(shù)系統(tǒng)（Leonardo Da Vincisurgical robot）是一種高級機(jī)器人平臺，它可以通過使用微創(chuàng)的方法，實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)。它由三部分組成：外科醫(yī)生控制臺、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)、成像系統(tǒng)。達(dá)芬奇機(jī)器人的使用，使手術(shù)精確度大大增加，術(shù)后恢復(fù)加快，并減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量。

在家用服務(wù)機(jī)器人方面，自20世紀(jì)末研制出第一臺掃地機(jī)器人以來，已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展。掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域里面產(chǎn)業(yè)化程度最高和應(yīng)用最多的機(jī)器人，其技術(shù)也從之前的隨機(jī)清掃方式進(jìn)化到路徑規(guī)劃式清掃，為人們的生活帶來了巨大的便利。