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机器人创世2500年简史:从公元前的木鸽到21世纪的波士顿动力机器狗

几个世纪以来,人类一直对机器人这一概念痴迷不已——从古代的石傀儡故事到现代科幻小说,我们时刻想象着以机械方式重现自身。尽管“机器人(robot)”一词由卡雷尔-恰佩克(Karel Capek)创造首次诞生于1921年,但人类早在公元前四世纪就致力于创造自动化机器。

如今,机器人已经被广泛应用于各个行业,帮助人类制造车辆及各种机械。根据国际机器人联合会( International Federation of Robotics)统计,2015年全球工业机器人总量高达163万台,且这一数字每年都在稳步增长。让我们一起来回顾机器人技术自公元前四百年的早期发展到如今全球化资源的简史。

古代机器人:阿基塔斯的鸽子,西比乌斯的漏壶...

机器人的最早起源可以追溯至古希腊时期。亚里士多德是最早想到自动化工具的伟大思想家之一,从那时起,他便开始考量这些工具将给整个社会带来怎样的影响。

公元前四百年,第一台自动机由来自塔伦图姆(意大利城市)的阿基塔斯设计,今天他被认定为数学力学之父。阿基塔斯的鸽子是一架蒸汽动力的自动飞行器,其木质结构基于鸽子的解剖结构,且包含一套用于产生蒸汽的密闭锅炉。蒸汽的压力最终会超过其物理结构的重量,从而使这架机器小鸟能够顺利飞行。

机器人创世2500年简史:从公元前的木鸽到21世纪的波士顿机器狗

图:来源Marie-Lan Nguyen

公元前二百五十年,西比乌斯创造了一台漏壶或者说水钟,这是一架能够自主运行的精巧自动机。尽管世界各地的传统水钟早在数个世纪前就已经陆续涌现,但希腊与罗马的发明家们开始更新时钟的基本设计——包括钟表、钟铃与移动雕像等。西比乌斯的设计将撞子首次放到钟铃之上,从而形成了第一架闹钟——这也成为早期自动机设计当中的一大典范。

然而,尝试机器人技术的绝不只有古希腊人与罗马人。在关于中国古代自动机的记载当中,我们可以看到公元前三世纪撰写的《列子》提到,曾经出现一台能够为周穆王表演歌舞的机器人。根据描述,这台机器人是由一位名叫严实的发明家使用木材与皮革制造而成。

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图:来源King muh

11世纪到15世纪:人形自动机与达芬奇的骑士

自主技术的发展一直延续至11世纪,并在世界各地开花结果。这一时期,最重要的发明家之一正是加扎利( Ismail al-Jazari)——身处伊斯兰教黄金时代的工程师与数学家。据悉,加扎利创造出了分段齿轮,并被广泛认定为机器人之父。他的众多机器人作品皆依靠水力驱动,并借此产生了自动门扉与负责为客人续杯的人形自动服务员。

达芬奇个人的后期研究明显受到了加扎利的影响。1495年,这位意大利著名艺术家与画家设计出一台具备自主能力的骑士,其中包含一系列滑轮与齿轮,且能够完成移动手臂、下巴甚至是坐起等动作。这台人形机器人被融入达芬奇在人体解剖学方面的诸多发现。而作为达芬奇的资助者,米兰公爵洛多维科-斯福扎尔(Lodovico Sforza)将这台骑士机器人用作聚会上的助兴项目。

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图:来源Erik Möller

16世纪到18世纪:飞行机器人与音乐机器人

为娱乐性目的而设计的机器人在16世纪到18世纪变得更为流行。尽管以娱乐为初衷,但这些机器人的设计仍然相当精巧,且其中使用的众多技术为后来更为复杂的机器人方案奠定了基础。

其中之一正是由德国数学家约翰内斯-穆勒-冯-哥尼斯堡(Johannes Müller von Königsberg,又名雷乔蒙塔努斯)所制造的鹰。有文献记载其诞生于16世纪30年代,由木头及铁制成,但具体工艺至今无人知晓。1708年,作家约翰-维尔金斯(John Wilkins)撰写了一篇关于该机器鹰的文章,宣称其能够成功飞向普鲁士皇帝,并返回雷乔蒙塔努斯手中。也正因为如此,他亦被视为飞行机器人的首创者。

这一时期的另一位关键人物为沃康松(Jacques de Vaucanson)。1973年,沃康松创作了长笛演奏者。这是一台真人大小的类人机器人,能够通过长笛演奏12疾步 同乐曲。该机器人利用一系列波纹管实现“呼吸”,此外口部与舌头设计能够改变气流以演奏乐器。

但沃康松最引人注目的成就当数其“觅食鸭”(Digesting Duck)。这只鸭子不仅能够进食,还能够下蛋,而且其被视为第一台采用橡皮管设计的机器“人”。

19世纪:棋类机器人与早期语言实验

19世纪,自动机器人开始成为一种奇谭性质的神秘造物,并令全世界民众为之着迷与雀跃。当时流行的一种机器人为棋类机器人,其中最著名的当数“土耳其行棋傀儡(The Turk)”,由沃尔夫冈-冯-肯佩伦(Wolfgang von Kempelen)创作于十八世纪七十年代。1854年,该机器人开始巡回展出。虽然看似是一台能够下棋的机器人,但最终真相被曝光——一位藏在盒中的棋手配合演出了这场骗局。

尽管土耳其行棋傀儡是个骗局,但其主旨思想仍为真正的国际象棋机器人带来了灵感,并最终推动后者于二十世纪初登上历史舞台。

另一台同样诞生于十九世纪的非凡机器则是货真价实的技术成果——这就是“歌雀(Euphonia )”。这是一台会说话及歌唱的机器人,其采用一种早期的文本到语音技术。歌雀由奥地利数学家及发明家乔瑟夫-费伯(Joseph Faber)一手打造。这台机器将一张人形女性面孔与键盘相连,其面部的嘴唇、下巴与舌头可进行控制。其发声装置由一部风箱外加象牙簧片构成,音调与口音可通过鼻子上的螺丝进行调节。

歌雀是费伯25年发明历史中的巅峰之作,并于1846年首次向观众展示。遗憾的是,维多利亚时代的观众们对这部机器茫然的眼神与令人毛骨悚然的声音表示不安,因此其很快就被遗忘在历史的长河之中。

20世纪早期:El Ajedrecista、Eric与Gakutensoku

尽管土耳其行棋傀儡被证明只是一场骗局,但二十世纪初第一台真正的象棋机器人终于成功诞生。1912年,由Leonardo Torres y Quevedo创造的El Ajedrecista(直译为‘棋手’)成为首台真正的国际象棋机器人,亦被一些人认为是视频游戏的先驱。这台设备能够与人对弈,并通过电路外加一套磁铁系统实现棋子移动。其在1914年的巴黎世界博览会上首次亮相,并很快引起巨大的轰动并备受赞誉。

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图:来源MdeVicente

1928年,英国的第一台机器人Eric问世。Eric由工程师Alan Reffell与一战老兵William Richards上尉共同创造。其由两人进行操作,头部与手臂能够移动,并通过无线电信号进行通话。根据报道,其动作系统由一系列齿轮、绳索与滑轮实现控制,且口中能够喷出火花。为了向Karel Capek于1921年创作的剧作《Rossumovi Univerzální Roboti》致敬,Eric胸口还刻有R.U.R.字样。

机器人创世2500年简史:从公元前的木鸽到21世纪的波士顿机器狗

第二年,日本首台机器人Gakutensoku初次亮相。Gakutensoku由生物学家西村真琴(Makoto Nishimura)于1929年创作完成,其身高超过7英尺(2.1米),可通过齿轮与弹簧运动改变面部表情。除此之外,Gakutensoku最伟大的成就在于其能够书写汉字。遗憾的是,这台机器人在德国巡演时不慎丢失。

20世纪40年代:阿西莫夫机器人定律与首套人工神经网络

上世纪二十年代,“机器人”一词首次出现。但直到艾萨克-阿西莫夫(Iassac Asimov)于1942年出版短篇小说《环舞(Runaround)》之后,机器人学的概念才正式诞生。在小说当中,阿西莫夫提出了其著名的机器人三定律——机器人不能伤害人类、机器人必须服从人类的命令、机器人必须保护自称嗳威胁——但前提是不会违反前两项定律。以往这些定律是虚构的,但其为关于机器人及自主技术的众多伦理问题提供了基础,且时至今日仍被广泛提及。

二十世纪四十年代,第一套人工神经网络正式诞生。1943年,Warren McCulloch与Walter Pitts创造出一套采用电路构建而成的基础神经网络,旨在更好地理解神经元如何在大脑当中运作。随着人工神经网络的出现,他们的实验为后来具备复杂行为能力的自主机器人的诞生铺平了道路。

1948年与1949年,William Grey Walter就创造出两台这样的复杂唑——Elmer与Elsie。这两台昵称为“乌龟”的机器人能够对光线作出反应,并在电池电量不足时自行前往充电站。

20世纪50年代:图灵测试与尤曼特

机器人发展史上的另一个里程碑出现在1950年,当时阿兰-图灵阐述了他设计出的人工智能测试思路。图灵测试已经成为人工智能的衡量基准,旨在衡量机器智能与人类智能是否等同——或者说已经达到无法区分的程度。从最根本的角度来看,图灵测试的目标在于确定机器是否具备思考能力。这一测试方案为1965年达特茅斯学院建立人工智能提供了必要的框架。

上世纪五十年代还出现了第一款工业机器人——尤曼特。尤曼特专利由George Devol于1954年提出,其能够利用一条机械手臂运送压铸件并将其焊接到位。这一革命性的成果将永远改变制造业的面貌。

机器人创世2500年简史:从公元前的木鸽到21世纪的波士顿机器狗

图:来源UL Digital Library

20世纪60年代:工业机器人革命

1961年,Devol获得尤曼特的专利之后,机器人开始在工业环境中迅速普及。同年,通用汽车公司在其新泽西州装配上安装了尤曼特。在此举获得成功之后,通用汽车在1966年开始将其全面引入正式生产线。

上世纪六十年代,Devol机器人工业部门的核心理念迎来了一系列创新与扩展。1968年,麻省理工学院人工智能实验室联合创始人Marvin Minsky发明了一种“触手式机械臂”——这是一条由液压装置驱动的12节机械卑躬屈节,可通过操纵杆实现控制。Minsky的这一造物能够轻松绕过障碍物,而这项研究亦为今年出现的各类柔性机器人技术创新铺平了道路。

1969年,Victor Scheinman发明了斯坦福机械臂——这条机器人手臂被认为是最早利用计算机控制的机器人之一。如同利用磁鼓操作的尤曼特一样,斯坦福机械臂同样代表着巨大的突破。其包含六个关节点,且由斯坦福大学人工智能实验室独立完成。尽管主要用于教育目的,但这条手臂的出现标志着计算机控制型工业机器人领域已经出现重大突破。

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图:来源Gildardo Sánchez/Flickr

20世纪70年代:WABOT-1、工业创新与太空机器人

上世纪七十年代初,世界上第一台拟人化机器人WABOT-1问世。WABOT-1为1967年WABOT项目的后续成果,由东京早稻田大学的加藤一郎(Ichiro Kato)创造。WABOT-1拥有一套视觉与肢体控制系统,可实现自主导航与自由移动,甚至能够测量物体间的距离。其手产具有触觉传感器,因此能够抓住并搬运物体。其智力与18个月大的人类基本相当,这标志着人形机器人技术开始出现里程碑式进展。

上世纪七十年代,工业机器人技术还带来更多发展成果。1973年,德国KUKA公司发布了FAMULUS——这是第一台拥有6个机电驱动轴的工业机器人。第二次,Richard Hohn开发出第一台由小型计算机负责支持的工业 计算机——The Tomorrow Tool,简称T3。1978年,SCARA出炉(即选择性遵循装配机械臂),其由山梨大学教授牧野裕(Hiroshi Makino)开发完成。该手臂能够进行4轴移动,并在八十年代早期成为装配线上的常见装备。

第一批登陆火星的机器人分别为维京1号与维京2号,时间为1976年。这两台机器人皆由放射性同位素热电进行供电,即通过钚衰变释放热能的方式获取能量。尽管两台登陆器收集到的数据比较模糊,但它们已经成为现代火星探测器的鼻祖。

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图:来源Mark Pelligrino

20世纪80年代:家庭机器人、加拿大臂与根格斯

上世纪八十年代,机器人开始正式进入主流消费市场,不过大多以简单玩具形式出现。其中最受欢迎的机器人玩具是Omnibot 2000,由TOMY公司出品。Omnibot 2000具备遥控功能,且配有一个托盘用以搬运饮料及零食。这一时期内,另一款备受追捧的机器人玩具则是全党推出的R.O.B。R.O.B的全称为Robotic Operating Buddy,即机器人操作体,任天堂将其作为NES游戏主机的2P玩家替代方案。其能够对6种不同命令做出反应,而具体命令通过CRT屏幕上的闪光进行发送。

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图:来源Rama

八十年代,工业 机器人领域出现了进一步发展,福特公司在世界各地的生产线上增加了数百台机器人。而福特嘉年华车型也因其由机器人负责注入密封胶而备受瞩目。

随着哥伦比亚号航天飞机于1981年发射“加拿大臂”,机器人在八十年代继续着其发展旅程。加拿大臂总长50英尺(15.2米),包含6个连接点。其可由控制站的一名机组成员负责控制,并在服役期间成功执行了90次任务。

1989年,麻省理工学院研究人员制造的六足机器人格根斯(Genghis),被广泛视为现代历史上最重要的机器人成果之一。由于其体积小巧且造价低廉,人们认为根格斯的出现预示着未来太空机器人的生产时间与成本都将得到大幅降低。其包含12台伺服电机与22个传感器,能够顺利穿越岩石地形。

20世纪90年代:Cyberknife、Sojourner与爱宝狗

上世纪九十年代初,机器人开始进入手术室,这就是Cyberknife——一种能够以手术方式治疗肿瘤的放射手术系统。Cyberknife由斯坦福大学经验之谈学教授John R. Adler开发完成,是一种非侵入性手术工具,可实现对肿瘤的追踪与瞄准,进而聚焦辐射束以实现手术操作。到2010年,Cyberknie在斯坦福癌症中心的全部治疗案例中占据5%的比重。

1996年,Sojourner成为第一台被送往火星的火星车。这台轻型机器人由探路者号带至火星,并于1997年7月成功在火星表面着陆。在科考期间,Sojourner探索了2691平方英尺(250平方米)土地,并拍摄 550张图片。根据其收集到的信息,科学家们断定火星表面曾经出现过温暖潮湿的气候。这次任务亦成为美国宇航局更多火星探测项目的起点。

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图:来源NASA

九十年代末,二十世纪最具标志性的机器人之一出现,这就是索尼的爱宝(AIBO)机器狗。爱宝狗于1999年首次推出,并成为最早的消费级机器宠物之一。爱宝狗能够对语音指令作出回应。今年早些时候,索尼还面向二十一世纪市场推出一款全新改进型爱宝狗,其配备两个摄像头并拥有空间映射功能。

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图:来源Sven Volkens

二十世纪:如今的机器人发展状态

虽然我们迈入二十一世纪以来刚刚过去十八年,但机器人技术已经取得了诸多进展,并形成当前的全新技术格局。如今,许多家庭都拥有自己的Roombas机器人吸尘器,并利用其眨动清洁地板。另外,无人机也开始在从军事到家庭递送等诸多领域大放异彩。

过去几年中,亦出现了不少具有里程碑意义的创新成果。而其中最值得关注的,当数索菲亚(Sophia)与波士顿动力狗(Boston Dynamics Dog)。

索菲娅于去年成为首个获得国家公民身份的机器人——这台由Hanson Robotics公司开发的Android机器人于2018年10月获得沙特阿拉伯公民身份。在接下来的一个月内,她成为第一位非人类联合国开发计划署创新大使。索菲娅的人工智能基于云端,其具备深度学习能力,并可识别并复制各种各样的人类面部表情。

机器人创世2500年简史:从公元前的木鸽到21世纪的波士顿机器狗

图:来源International Telecommunication Union

在引领现代机器人技术发展方面,波士顿动力公司一直走在时代前沿,而这无疑要归功于其强大的自主创新能力。

其最著名的产品为波士顿动力狗,亦称Big Dog。其于2005年推出时,即吸引到全世界的关注。这台机器人的最初设计是为了打造一款军用装备,其身上安装有50个传感器,能够承载340磅(150公斤)物品,并以每小时4英里(6.4千米/小时)的速度前行。

最近,波士顿动力公司又公布了另外两款极具吸引力的机器人——SpotMini与Atlas。前者是一种自主机器狗,其能够自行开门; Atlas则是一款复杂的类人机器人,能够跑动并跳过障碍。

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图:来源Sgt. Sarah Anderson

着眼于波士顿动力公司的成就,二十一世纪中的每一周几乎都会出现与机器人相关的创新成果。机器人技术已经经历了一段漫长而又极具传奇色彩的发展,且正在发展。

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