研發(fā)各式機器人及三種特殊機器人的介紹和應(yīng)用概述

網(wǎng)易科技訊5月3日消息，據(jù)Science News for Students報道，每當(dāng)提及機器人的時候，你可能會想到《機器人總動員》（Wall-E）中的機器，它的設(shè)計是為了完成許多無聊的任務(wù)，比如壓縮垃圾。但如今的工程師們正在制造能做更多有趣工作的機器人，比如蛇形機器人將來可以在地震后尋找受害者，或者幫助醫(yī)生進行手術(shù)。水下機器人也許能夠帶領(lǐng)魚類遠離環(huán)境災(zāi)難，人形機器人可以幫助患有疾病或身體殘疾的人。

為這些機器人編程并制造它們是非常吸引人的工作。許多研究人員對實驗室中的機器進行修補，并編寫計算機軟件來控制它們。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的豪維·喬塞特（Howie Choset）說：“它們是市面上最好的玩具?！眴倘厥莻€機器人專家，主要從事機器人設(shè)計、編程以及制造工作。

神奇的蛇形機器人

當(dāng)喬塞特還是個孩子的時候，他對任何能移動的東西都感興趣——汽車、火車、動物。他把馬達放在小玩具汽車上，以讓它們移動。后來，在高中時，他制造了類似于小型汽車的移動機器人。

為了繼續(xù)從事機器人研究工作，喬塞特在大學(xué)里學(xué)習(xí)計算機科學(xué)。但當(dāng)他在帕薩迪納的加州理工學(xué)院讀研究生時，喬塞特發(fā)現(xiàn)同事們正在研究比遙控汽車更酷的東西——機器蛇。有些機器人只能向前、向后或左右移動。但是蛇形機器人可以扭曲著前往不同的方向，并且可以在許多不同的地形上前行。喬塞特總結(jié)道：“機器蛇比汽車有趣得多?！?/p>

圖1：喬塞特及其團隊研發(fā)的機器蛇，它可向不同的方向扭曲前行。這些蛇形機器人可以滾動向前，慢慢地爬上某人的腿，甚至還會游泳

開始在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工作后，喬塞特和同事們開始開發(fā)他們自己的蛇形機器人。典型的蛇形機器人由金屬容器互相連接起來的，每個部分都由馬達和電子部件在里面。喬塞特的團隊給蛇形機器人編程，讓它像真正的蛇那樣移動，比如滑行和緩慢前進。這種機器人也會以不屬于蛇的方式移動，比如滾動。喬塞特的蛇形機器人可以爬過草地，在池塘里游泳，甚至爬上旗桿。

這些機器人還有另外一個特點：它們可以在狹小的空間中機動。喬塞特說：“蛇可以進入我們無法到達的地方，因此這種機器人也可以被用于挽救生命。”舉例來說，在地震發(fā)生之后，蛇形機器人也許能夠幫助人們發(fā)現(xiàn)被困在倒塌建筑物中的人。對于救援人員來說，搜查那些建筑物是非常危險和困難的。但是，在配備了攝像頭的蛇形機器人的幫助下，救援人員可以在廢墟的安全距離外搜尋幸存者。在搜救人員的幫助下，喬塞特在德克薩斯州名為“災(zāi)難之城”的救援人員培訓(xùn)基地測試了他的機器人。

但是喬塞特想知道，他的蛇形機器人是否在醫(yī)學(xué)上也有用。對于有些心臟手術(shù)來說，醫(yī)生必須打開病人的胸部，切開胸骨。而這些手術(shù)的恢復(fù)是非常痛苦的。如果醫(yī)生可以通過在身體上開個小洞并發(fā)送細長的機器蛇來完成手術(shù)，結(jié)果會如何？喬塞特團隊目前正與哈佛醫(yī)學(xué)院的心臟外科醫(yī)生馬可·澤納迪（Marco Zenati）合作研究這個想法。

澤納迪在胸部的塑料模型上練習(xí)使用機器人，然后在豬身上測試機器人。他給豬注入麻醉劑，這樣它們就不會有任何感覺。然后，他在豬的胸腔下面挖了一個小洞，插入了30厘米長的蛇型機器人的“頭”。利用操縱桿，澤納迪讓機器人移動到豬的心臟后部。然后他通過機器人的身體將手術(shù)工具穿過，并用這個工具在動物的心臟上進行手術(shù)。波士頓一家名叫Medrobotics的公司現(xiàn)在正在為接受外科手術(shù)的患者調(diào)整該技術(shù)。

蛇形機器人甚至可以用來搜索古代文物。喬塞特正在探索將機器人送入埃及考古遺址的可能性，這些遺址以往太小或太過危險，人們無法進入。裝有攝像頭的蛇形機器人可以向科學(xué)家展示里面的東西，甚至可能找到人工制品。喬塞特表示：“即使在與團隊合作了15年之后，在觀察我們的蛇形機器人運動時，我仍然不會感到厭倦。”

追隨領(lǐng)導(dǎo)者

紐約大學(xué)理工學(xué)院的機械工程師莫里吉奧·波菲力（Maurizio Porfiri）也在制造類似動物的機器人。但他有不同的目標，即幫助真正的動物。波菲力的團隊制造出看起來像魚的機器人。這些研究人員希望他們的機器有足夠的說服力，讓真正的魚能夠接受機器魚作為他們?nèi)后w的一部分。這樣，機器人就可以把魚從危險的地方引開，比如漏油區(qū)域。

圖2：波菲力及其團隊設(shè)計并制造了模仿魚的機器人

波菲力始終對動物很感興趣。在他的成長過程中，他最喜歡的活動之一就是去動物園。但波菲力也喜歡在日本漫畫中看到的機器人。所以當(dāng)他開始創(chuàng)建自己的實驗室時，決定將這兩個興趣結(jié)合起來。

科學(xué)家們已經(jīng)知道，魚類喜歡成群結(jié)隊地游泳。魚群的領(lǐng)導(dǎo)者會創(chuàng)造出尾跡，也就是在它們深厚留下混亂的水域。由于在另一條魚的尾流中游泳所消耗的能量比單獨游泳要少得多，因此許多魚類會跟隨領(lǐng)導(dǎo)者，并因此形成魚群。為了弄清楚魚是否會接受機器人的領(lǐng)導(dǎo)，波菲力的團隊首先要建造魚形機器人。它靈活的尾巴可以來回擺動，推動機器人向前。波菲力解釋說，為了讓真正的動物與這個裝置互動，魚需要看到些看起來像它們的東西，比如像它們一樣游泳。

研究人員把魚形機器人放在實驗室的水渠里，讓機器魚的尾巴以不同的速度拍打水流。然后他們加入了真正的魚，比如金光魚，并測量了金光魚待在魚形機器人附近的時間。他們還觀察，這條魚是在機器魚前面還是后面游動。如果機器魚的尾巴沒有擺動，金光魚就沒怎么注意它。但是當(dāng)機器魚的尾巴以一定的速度移動時，魚就開始跟在它后面游動。波菲力認為魚會跟隨機器人游動，因為那會讓它們更節(jié)省能量。?

不過，并不是所有的魚都跟隨機器魚前進，波菲力的團隊現(xiàn)在正試圖找出原因。工程師們可能需要使用幾個不同的機器人，每個機器人吸引或排斥不同的魚，以吸引盡可能多的追隨者。

波菲力的團隊還在研制一種機器人潛水艇，用來幫助圈養(yǎng)的動物。帶有螺旋槳的潛艇會傷害動物。因此，研究人員正在研制一種“安全”的潛艇，它的所有運動部件都在里面。水族館的訓(xùn)練人員可以使用機器人潛水艇與海豹或海象等動物玩耍。例如，馴獸師可以把食物附在潛艇上，讓動物“捕食”，就像它們在野外捕食獵物一樣。

有性格的機器人

當(dāng)瑪雅·瑪塔里克（Maja Matari?）上高中時，她曾編寫一個計算機程序，可與某人“交談”。用戶可以在計算機中輸入消息，程序隨后會顯示回復(fù)?，F(xiàn)在，位于洛杉磯南加州大學(xué)的一名機器人專家正在領(lǐng)導(dǎo)名為“社會輔助機器人”的項目。這些設(shè)備可以說話、做手勢，四處走動。

圖3：瑪塔里克的團隊正在設(shè)計一種機器人，可以幫助有溝通障礙的人練習(xí)社交技能

瑪塔里克希望她的機器人幫助身患疾病或有身體殘疾的人。例如，患有阿爾茨海默病的人會出現(xiàn)記憶和大腦功能問題，可能需要心理練習(xí)的幫助。中風(fēng)后試圖恢復(fù)手臂功能的人，可能需要鼓勵來繼續(xù)做有益的練習(xí)?？墒牵捎跊]有足夠的人來提供所需的各種幫助，這就需要“技術(shù)介入”。

在一項研究中，瑪塔里克團隊測試了機器人幫助中風(fēng)患者的恢復(fù)情況。中風(fēng)通常是由于大腦中的血管破裂或血液凝結(jié)導(dǎo)致血液無法流向大腦所致，少量細胞在中風(fēng)時死亡。所以后來的部分身體（像手臂），可能變得脆弱或麻木。病人必須不斷地鍛煉才能恢復(fù)功能。然而，這些練習(xí)可能是困難和不愉快的。

瑪塔里克和她的同事為膝蓋高的機器人編程，督促病人進行鍛煉，然后監(jiān)測病人的運動。如果這個人主動地使用他或她的手臂，機器人就會給出鼓勵言辭。研究小組在6名中風(fēng)患者身上測試了這個機器人。當(dāng)機器人在場時，病人往往會比沒有提示的情況下更久地進行鍛煉，并遵循指令。

接下來，研究人員測試了機器人的性格是否影響了人們對它的反應(yīng)。機器人可以直接靠近患者，大聲說話，并做出有力的陳述，比如“你能做到!”其他時候，研究人員會讓機器人以更害羞的方式行動。在這段時間里，機器人與患者保持著一定距離，溫柔地提出一些建議，比如“我知道這很難，但記住這是為了你好?！?

在這項研究中，健康的成年人用他們較弱的手進行鍛煉。這些任務(wù)與那些努力從中風(fēng)中恢復(fù)過來的病人相似，比如移動鉛筆或翻閱報紙。研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機器人的性格與自己相似時，人們就會更久地練習(xí)他們的任務(wù)。

瑪塔里克還在研究幫助患有自閉癥兒童的機器人?；加羞@些疾病的兒童在與人交流和互動方面存在困難，瑪塔里克希望機器人能幫助這些孩子練習(xí)社交技巧。機器人比人更有優(yōu)勢的地方在于，它從不感到疲倦、沮喪或憤怒。

瑪塔里克團隊設(shè)計并編程了1米高的人形機器人Bandit，它可以制造噪音、四處移動以及吹泡泡。在一項研究中，研究人員觀察了8個患有自閉癥譜系障礙的兒童如何應(yīng)對Bandit。有些孩子似乎喜歡這個裝置，他們和機器人交談，與它玩耍，并試圖讓機器跟著他們。其他孩子似乎對其感到不太舒服，也許是因為Bandit馬達發(fā)出的聲音。這些孩子遠離機器人，靠近他們的父母或靠著墻待著。

瑪塔里克團隊正在致力于改善Bandit，以便機器人可以展示孩子好的反應(yīng)或負面反應(yīng)。例如，如果孩子躲在墻邊，Bandit可能會退后，發(fā)出令人鼓舞的聲音，或者干脆關(guān)掉馬達。

瑪塔里克、喬塞特以及波菲力只是今天許多致力于機器人研發(fā)的工程師之一。瑪塔里克表示：”無論你是想創(chuàng)造出探索海洋的機器人，還是到外太空旅行、幫助老人或執(zhí)行醫(yī)療程序的機器人，我們在這個領(lǐng)域所能做的事情幾乎沒有任何限制。