導(dǎo) 讀

多年以來(lái)，機(jī)器人領(lǐng)域的變革和創(chuàng)新改變了工廠和倉(cāng)庫(kù)，它們?cè)谑芸丨h(huán)境中表現(xiàn)良好，通常不會(huì)進(jìn)入大眾的視野。

哈佛大學(xué)的科學(xué)家們，正在推動(dòng)機(jī)器進(jìn)入新的時(shí)代，這群研究人員新的目標(biāo)是普羅大眾，他們認(rèn)為科技所有的改變，意在為更多領(lǐng)域、更多普通人帶來(lái)變革性影響。

“科幻小說(shuō)已經(jīng)描繪了50年，怎么這些機(jī)器人還沒出現(xiàn)在人們身邊？”工程和應(yīng)用科學(xué)教授RobertWood說(shuō)。

你的想象中，現(xiàn)實(shí)世界的機(jī)器人，是否是這樣的場(chǎng)景？

你在網(wǎng)上購(gòu)買的商品，會(huì)由無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)配送；你購(gòu)買的汽車，會(huì)自動(dòng)開到目的地；你不愿意干的家務(wù)，會(huì)有一個(gè)機(jī)器人幫你收拾打理；更多的場(chǎng)景里，機(jī)器人還能幫助搜救災(zāi)民和種植糧食。

所有這夢(mèng)幻般的一切，已經(jīng)在悄悄上演。

下面這些你不曾想象過(guò)的機(jī)器人，都來(lái)自哈佛的研究團(tuán)隊(duì)。一篇很有想象力的文章分享給熱愛新事物的你們，Enjoy it。

原作：Alvin Powell唐旭 夏乙 編譯整理量子位 出品 | 公眾號(hào) QbitAI

下一代機(jī)器人將廣泛進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界，穿過(guò)森林和田野，到達(dá)城鎮(zhèn)和家庭。你在網(wǎng)上購(gòu)買的商品，會(huì)由無(wú)人機(jī)負(fù)責(zé)配送；你購(gòu)買的汽車，會(huì)自動(dòng)開到目的地；你不愿意干的家務(wù)，會(huì)有一個(gè)機(jī)器人幫你收拾打理。

當(dāng)然不止這些。機(jī)器人還能幫助搜救災(zāi)民，幫助種植糧食，會(huì)在軍中服役，會(huì)在醫(yī)院至于你的心靈，成為你身體的一部分。

所有這夢(mèng)幻般的一切，已經(jīng)在悄悄上演。

下面這些你不曾想象過(guò)的機(jī)器人，都來(lái)自哈佛的研究團(tuán)隊(duì)。

動(dòng)力

哈佛大學(xué)最近在機(jī)器人方面的工作讓一項(xiàng)在歷史上沉寂多時(shí)的研究重?zé)ㄉ鷻C(jī)。George Whitesides教授稱，他在軟體機(jī)器人研究方面取得的突破，與哈佛大學(xué)在軟物質(zhì)物理學(xué)方面的力量，以及同事們?cè)谖⒘黧w上的研究密切相關(guān)。

一部分在軟體機(jī)器人方面的早期工作，是在上世紀(jì)90年代由日本科學(xué)家完成的。而最近，由Whitesides、Wood和Conor Walsh等人做出的創(chuàng)新推動(dòng)力整體領(lǐng)域的進(jìn)步，使得機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)和特性上對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，而不是從齒輪和杠桿上。

“我們用材料的某些特性來(lái)代替控制裝置?！盬hitesides拿著一種海星形狀的橡膠夾手說(shuō)，當(dāng)有空氣進(jìn)入手臂，夾手就會(huì)自動(dòng)夾緊?！斑@些東西有一種從頂端卷曲的傾向——而這是可控的。原本，若是沒有硬體機(jī)器人身上的那些部件，要實(shí)現(xiàn)這種效果幾乎是不可能的?！?/p>

由此誕生的機(jī)器人甚至可以被一輛車碾過(guò)而在功能上毫發(fā)無(wú)傷。這也促成了在全新的制造技術(shù)方面的一些研究，比如威斯生物工程研究所教授Jennifer Lewis實(shí)驗(yàn)室在3D打印方面的工作。類似的成果，還有同《國(guó)家地理》雜志合作的，能在水下收集脆弱珊瑚的抓取機(jī)器人；以及商業(yè)機(jī)器人公司Soft Robotics開發(fā)的，能在農(nóng)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、裝配線等場(chǎng)景下抓取各種產(chǎn)品的靈活機(jī)器手。

“（將這些技術(shù)）轉(zhuǎn)向市場(chǎng)的過(guò)程很有趣?！盬hitesides說(shuō)?！白畛醭尚偷膽?yīng)用針對(duì)的那些領(lǐng)域，我一開始并不知道還存在著問題。結(jié)果它們商業(yè)化的速度并我所參與過(guò)的所有項(xiàng)目都快?！?/p>

補(bǔ)充說(shuō)一下這個(gè)氣動(dòng)、完全不受限制的移動(dòng)式軟體機(jī)器人。

這個(gè)機(jī)器人使用了由有機(jī)彈性體、聚芳酰胺織物和空心玻璃微珠組成的復(fù)合材料制造，配有一個(gè)微型空氣壓縮機(jī)、電池、閥門和控制器。

這種硅膠機(jī)器人不透水、有良好的酸堿穩(wěn)定性，抗沖擊/壓迫能力強(qiáng)，在積雪、積水、火燒、車碾等惡劣環(huán)境下，這個(gè)機(jī)器人都能一往無(wú)前、不可阻擋。

而且價(jià)格低廉，成本如下圖所示。

當(dāng)然這種機(jī)器人也不是完美的。例如對(duì)大孔洞敏感、容易被尖銳物體撕裂、控制精度和運(yùn)動(dòng)能力不足、速度緩慢。想提速，只能搭配提及更大的空氣壓縮機(jī)。

更多細(xì)節(jié)，在這個(gè)頁(yè)面：

https://dash.harvard.edu/bitstream/handle/1/16920697/21340991.pdf

哈佛大學(xué)技術(shù)發(fā)展辦公室戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系執(zhí)行主任Sam Liss表示，在對(duì)于哈佛機(jī)器人研究進(jìn)展的評(píng)估方面，類似Soft Robotics這樣的公司提供了一種相對(duì)直接的標(biāo)準(zhǔn)。

“創(chuàng)業(yè)公司出現(xiàn)的速度非常驚人?！彼f(shuō)，“在過(guò)去幾年內(nèi)，我們就已經(jīng)看到了Soft Robotics、 RightHand Robotics和Root Robotics等等——對(duì)于哈佛而言，這是非常重大的轉(zhuǎn)變。它不僅強(qiáng)調(diào)了科研的重要意義，還代表著我們的同事在將技術(shù)產(chǎn)品化的過(guò)程中所付出的努力?！?/p>

哈佛大學(xué)在機(jī)器人研究方面的發(fā)展，主要由保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和威斯生物工程研究所驅(qū)動(dòng)。研究者稱，在機(jī)器人制造工具和設(shè)備領(lǐng)域更深層次的投入，對(duì)于教師、學(xué)生和研究院們都產(chǎn)生了重大影響。

“特別是對(duì)于我從事的工作來(lái)說(shuō)，讓學(xué)生和博士后們能夠用上這些工具非常重要?！盬ood說(shuō)，“工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和生物工程研究所在一些領(lǐng)域的投入上做得非常不錯(cuò)。這么看其實(shí)我們什么都不缺?！?/p>

團(tuán)隊(duì)協(xié)作

哈佛有一個(gè)由不到十二位機(jī)器人專家組成的核心部門，部門內(nèi)部的科學(xué)家會(huì)定期合作，甚至彼此依賴各自的專長(zhǎng)。研究的重點(diǎn)包括能在陸地、海洋和空中與人類緊密合作的機(jī)器人——通常是用于醫(yī)療。

“我們制造人們從未想象過(guò)的那種機(jī)器人?！庇?jì)算機(jī)科學(xué)教授Radhika Nagpal說(shuō)，“像是會(huì)飛的小蜜蜂，甚至是你能穿在身上的機(jī)器人。從某種程度上說(shuō)，我們創(chuàng)造的機(jī)器人是狂野的，它們更像是動(dòng)物，而不是四輪汽車?！?/p>

其中一個(gè)例子是RoboBee，由Wood開發(fā)，Nagpal的軟件負(fù)責(zé)控制。這種蟲子般大小的、會(huì)飛的機(jī)器人在調(diào)查勘探方面有非常大的潛力：它能夠從自然災(zāi)害、作物病害甚至戰(zhàn)爭(zhēng)地區(qū)中收集圖像和數(shù)據(jù)，小到不包含任何機(jī)械杠桿、齒輪。設(shè)計(jì)制造這種機(jī)器人需要的專業(yè)技術(shù)已經(jīng)來(lái)到了機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域之外。

“對(duì)于RoboBee而言，沒有任何現(xiàn)成的部件?！盬ood說(shuō)，“我們必須從頭開始：全新的制造方法、全新的動(dòng)作、感知、計(jì)算架構(gòu)、全新的能源存儲(chǔ)；對(duì)于Radhika而言，則是控制行為的全新算法。我們工作的平臺(tái)都需要從頭搭建?！?/p>

Wood還表示，RoboBee身上的傳感器和執(zhí)行器可能會(huì)在某些生物醫(yī)學(xué)裝置和微創(chuàng)手術(shù)上起到作用，因?yàn)樵谶@類工作中，尺寸是一個(gè)非常重要的因素。

“我們談?wù)摰氖菑腞oboBee上發(fā)展出的所有技術(shù)，將它們同軟體機(jī)器人結(jié)合來(lái)創(chuàng)造全新的工具，這些工具可以用于內(nèi)窺鏡檢查這類復(fù)雜、精細(xì)的工作?！?/p>

這里提到的RoboBee是哈佛團(tuán)隊(duì)研發(fā)的微型機(jī)器人。RoboBee不但能夠飛行、潛水、游泳，還能從水面彈射而起，并且安全在地面降落。

對(duì)于毫米級(jí)的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，能夠在空中和水中飛行有很多挑戰(zhàn)。比方水的密度比空氣大1000倍，因此兩種介質(zhì)中翅膀拍打的速度相差很大。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，空中飛行時(shí)翅膀拍打頻率220-300Hz、水中潛行時(shí)9-13Hz。

微型機(jī)器人的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是，水的表面張力是RoboBee重量的十倍以上。怎么才能從水面躍出？為解決這個(gè)問題，首先是給RoboBee加裝四個(gè)浮力支腿，以及一個(gè)創(chuàng)造性的解決方案。

一旦RoboBee浮到水面，中央集氣室中的電解板就會(huì)把水轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w氫和氧，然后點(diǎn)火引燃把機(jī)器人推離水面。不過(guò)目前的技術(shù)，還無(wú)法做到RoboBee出水后立即恢復(fù)飛行，研究團(tuán)隊(duì)正在為此而努力。

更多細(xì)節(jié)，可以查看這個(gè)頁(yè)面：

https://www.seas.harvard.edu/news/2017/10/new-robobee-flies-dives-swims-and-explodes-out-of-water

工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副教授Walsh稱，醫(yī)療機(jī)器人的一大吸引力在于它們能夠?qū)τ谌藗兊纳a(chǎn)生積極影響。Walsh所在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軟體機(jī)器護(hù)甲可以幫助中風(fēng)病人更輕松地行走。在哈佛醫(yī)學(xué)院及附近的16家附屬醫(yī)院和研究機(jī)構(gòu)，機(jī)器人專業(yè)的老師處于非常重要的位置，他們要判斷機(jī)器人是否能滿足病人的需求，并與內(nèi)科醫(yī)生合作，制定運(yùn)動(dòng)方面的解決方案。

比如，在美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院支持的一項(xiàng)工作中，Howe和哈佛大學(xué)附屬波士頓兒童醫(yī)院小兒心臟外科的生物工程學(xué)主任Pierre Dupont就在一像用于不停跳心臟手術(shù)的機(jī)器人技術(shù)上進(jìn)行了多年合作。他們目前正在研究用機(jī)器導(dǎo)管來(lái)補(bǔ)償心臟跳動(dòng)動(dòng)作的補(bǔ)充途徑，這項(xiàng)研究的成功將能夠用微創(chuàng)操作令病人避開心臟直視手術(shù)。

“這對(duì)于病人來(lái)說(shuō)就好多了——更小的創(chuàng)傷、更低的風(fēng)險(xiǎn)?！盌upont說(shuō)，“我們?cè)谂﹂_發(fā)臨床醫(yī)生們做夢(mèng)都想不到的技術(shù)。”

同時(shí)，Walsh的exosuit柔性外骨骼技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給了ReWalk機(jī)器人公司，這家公司計(jì)劃今年將它投入臨床試驗(yàn)，邁出讓這種機(jī)器五年從概念走向市場(chǎng)的第一步。

Walsh說(shuō)：“我發(fā)現(xiàn)我們所做的事情有各種真正改變?nèi)藗兩畹臋C(jī)會(huì)?！?/p>

他的工作在醫(yī)療上有著各種各樣的應(yīng)用，比如防止心臟衰竭，幫脊髓損傷患者增強(qiáng)手臂功能、提高中風(fēng)后的運(yùn)動(dòng)能力等等。這些應(yīng)用，都離不開美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）的早期支持，他們本來(lái)的目標(biāo)，是要用外骨骼來(lái)減輕100磅行軍裝備給士兵的負(fù)擔(dān)。

軟性外骨骼將功能性服裝的特性，與精確布置的線纜和電機(jī)結(jié)合起來(lái)，有效地幫助穿著者移動(dòng)。

“使用柔性系統(tǒng)能讓系統(tǒng)很輕，沒有限制性，在行走時(shí)對(duì)人類的生物力學(xué)影響最小，同時(shí)能在穿著者肌肉動(dòng)作的基礎(chǔ)上做出提升?！盬alsh介紹說(shuō)：“問題是，我們能對(duì)一個(gè)人的移動(dòng)性產(chǎn)生積極影響嗎？”

目前，跑步機(jī)和數(shù)英里行軍測(cè)試的結(jié)果顯示，柔性外骨骼的影響大概有15%。另外，Walsh的團(tuán)隊(duì)在中風(fēng)病人身上的實(shí)驗(yàn)表明，外骨骼能幫助使用者抬腳離地、運(yùn)動(dòng)腳踝，減少肢體之間的功能性不對(duì)稱，提高行走效率。

這套外骨骼系統(tǒng)要繼續(xù)進(jìn)化，面臨的主要挑戰(zhàn)是盡可能降低重量，最大限度地提供幫助，以及讓外骨骼盡可能與自然運(yùn)動(dòng)同步。

行為問題

和機(jī)器如何運(yùn)動(dòng)同等重要的，是它怎樣思考，哈佛的科學(xué)家們也在認(rèn)真思考這個(gè)現(xiàn)實(shí)。工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授、哈佛敏捷機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（Harvard Agile Robotics Lab）主任Scott Kuindersma將他的目光投向了控制系統(tǒng)的完善，想由此讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全部潛力。

“我認(rèn)為，機(jī)器人在物理上的能力已經(jīng)夠用了，但它們想要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)極限的性能還很難，也缺少在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成任務(wù)所需的穩(wěn)健性。問題主要在于計(jì)算?！盞uindersma說(shuō)

Kuindersma所在實(shí)驗(yàn)室最新的成果是雙足行走機(jī)器人Cassie，它長(zhǎng)得有點(diǎn)像鴕鳥，由Agility Robotics設(shè)計(jì)。Cassie是Kuindersma認(rèn)為該具備更好性能的硬件典型。

Cassie來(lái)自Agility Robotics，這個(gè)機(jī)器人堪稱脖子以下全是腿，以模仿人類步態(tài)的方式移動(dòng)。

與早先的雙足機(jī)器人ATRIAS相比，Cassie可謂是全方位的升級(jí)，尺寸有了顯著的縮小。特別是在電池、腿部設(shè)計(jì)和計(jì)算能力方面，都有顯著改進(jìn)，這讓Cassie更加靈活。Agility Robotics為這個(gè)機(jī)器人自行設(shè)計(jì)了鋰電池組作為電源。

Cassie的臀部有三個(gè)自由度，跟人類一樣，所以這個(gè)機(jī)器人可以前后移動(dòng)自己的腿、從一邊到另一邊、還能同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。Cassie也配備了電動(dòng)的腳踝，所以能夠站在原地不動(dòng)，而不需像常見的雙足機(jī)器人一樣得不斷移動(dòng)雙腳。

未來(lái)這種機(jī)器人，可以把技術(shù)共享給搜救、外骨骼等機(jī)器人領(lǐng)域，不過(guò)Agility Robotics想讓這種機(jī)器人主要去干快遞……

Kuindersma說(shuō)：“[Cassie]用的控制軟件是他們公司開發(fā)的，我們會(huì)刪除替換它。我們的目標(biāo)是把Cassie用作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)出推進(jìn)運(yùn)動(dòng)性能超越目前頂尖水平的算法。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，借助高速視覺傳感器反饋來(lái)規(guī)劃動(dòng)態(tài)行走，演示戶外高速運(yùn)動(dòng)會(huì)是一個(gè)重要里程碑?！?/p>

“想想山羊，”他說(shuō)，“它們能爬上懸崖峭壁，在復(fù)雜的地形中迅速?zèng)Q定該把腳放在哪。我們想構(gòu)建一種算法，讓機(jī)器人也能實(shí)現(xiàn)這樣的能力。”

Kuindersma探索著如何更好地控制復(fù)雜個(gè)體行為，而Nagpal的研究剛好反過(guò)來(lái)：如何驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單個(gè)體組成的群體，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為。

Nagpal說(shuō)：“我的實(shí)驗(yàn)室的主題一直是通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。無(wú)論是哪一類智能體——螞蟻、人、機(jī)器人——個(gè)體所能做的事情總是有限的，我們通過(guò)組成團(tuán)隊(duì)來(lái)超越這個(gè)限制。已經(jīng)進(jìn)化到組團(tuán)工作的動(dòng)物可以利用這些東西?！?/p>

從納米比亞白蟻合作堆土堆的行為中受到啟發(fā)，Nagpal發(fā)現(xiàn)了一種模式，社會(huì)化昆蟲能在沒有中央?yún)f(xié)調(diào)的情況下處理具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

“自然界中有一些不需要多少協(xié)調(diào)的例子，我們正在用這些方法，”Nagpal說(shuō)，“這就為多個(gè)部分的合作提供了可能性。這些部分不用很復(fù)雜，它們之間的協(xié)調(diào)也不用很復(fù)雜，你還是可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的目標(biāo)。”

小型kilobot就是Nagpal開發(fā)的一種機(jī)器，這種機(jī)器人依照簡(jiǎn)單的原則來(lái)行動(dòng)，例如鄰居的位置和行為。一群kilobot聚集起來(lái)，可以完成復(fù)雜的任務(wù)，比如說(shuō)它們?cè)谀炒握故局薪M成了海星形狀。

這些任務(wù)都不依賴復(fù)雜的計(jì)算機(jī)大腦，也沒有領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者系統(tǒng)，她的團(tuán)隊(duì)還在白蟻的啟發(fā)下開發(fā)了一種機(jī)器人，能協(xié)作搭建用戶指定的結(jié)構(gòu)。

Nagpal說(shuō)：“我們可以制定規(guī)則，讓它們總是構(gòu)建正確的結(jié)構(gòu)，而用到的機(jī)器人是5個(gè)10個(gè)還是50個(gè)都沒關(guān)系，每個(gè)機(jī)器人不知道其他機(jī)器人在哪，它們的順序也無(wú)關(guān)緊要。”

她認(rèn)為，這些機(jī)器人與環(huán)境傳感器配合，在災(zāi)難響應(yīng)和勘探上都有著應(yīng)用潛力。遵循簡(jiǎn)單的規(guī)則，機(jī)器人可以建起沙袋墻，她的實(shí)驗(yàn)室還正在開發(fā)一種廉價(jià)的機(jī)器魚，將來(lái)可以用來(lái)探測(cè)海底，對(duì)于價(jià)格昂貴又每次只能探測(cè)一個(gè)地方的潛水器來(lái)說(shuō)，可能會(huì)成為一種補(bǔ)充或替代。

kilobot的發(fā)展是技術(shù)快速進(jìn)步的結(jié)果，這種進(jìn)步不僅提升了前沿系統(tǒng)的復(fù)雜性，也大大降低了現(xiàn)成組件的價(jià)格。

“我本以為我永遠(yuǎn)不會(huì)有硬件可用，不過(guò)我這么想的原因是一個(gè)機(jī)器人就要花掉10萬(wàn)美元?！盢agpal說(shuō)，“[現(xiàn)在]我做一個(gè)新機(jī)器人只需要幾百刀，在我的實(shí)驗(yàn)室里，這就是一種日常。我還有一千個(gè)機(jī)器人，每個(gè)只需要20刀。”

她將kilobot技術(shù)授權(quán)給了小型移動(dòng)機(jī)器人制造商K-Team，現(xiàn)在，全球還有10個(gè)實(shí)驗(yàn)室有kilobot，其中兩個(gè)擁有1000只機(jī)器人的集群。

“這真是太神奇了，人們可以用kilobot系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)想象，做各種各樣我根本想不到的事情?，F(xiàn)在，這是一個(gè)充滿活力的研究領(lǐng)域?！盢agpal 說(shuō)。

Kilobot整套系統(tǒng)，其實(shí)是研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一次群體機(jī)器人算法測(cè)試。如果你想更多了解這方面的理論研究，可以看看下面這篇論文：

Kilobot: A Low Cost Scalable Robot System for Collective Behaviorshttp://www.eecs.harvard.edu/ssr/papers/icra12-rubenstein.pdf

但是這套成本低廉的系統(tǒng)，能力卻一點(diǎn)不差，包括差分驅(qū)動(dòng)能力、機(jī)載計(jì)算能力、相鄰?fù)ㄓ嵑途嚯x感知能力、環(huán)境光感能力等等。

而且哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，還對(duì)這套系統(tǒng)進(jìn)行了開源。

所以如果你對(duì)這套系統(tǒng)感興趣，可以使用任何平臺(tái)（Mac、Windows、Linux）進(jìn)行編程。至于硬件部分，你可以買也可以自己搭建。

主要部件：1、3.7伏電池 2、電源跳線 3、振動(dòng)電機(jī) 4、三色LED 5、環(huán)境光傳感器 6、串行輸出接頭 7、直接編程接口 8、充電標(biāo)簽 9、紅外發(fā)射器 10、紅外接收器

kilobot機(jī)器人需要在光滑平坦的表面上運(yùn)作，現(xiàn)成的白板其實(shí)就挺好。