今年初，春晚上的人形機(jī)器人又一次掀起了大眾對(duì)于機(jī)器人的討論熱潮。

機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展到哪里了？

它們能做什么、不能做什么？

又會(huì)給人類帶來怎樣的挑戰(zhàn)與機(jī)遇？

在解答人工智能及機(jī)器人相關(guān)問題這一塊，很少有人能比丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）更資深。她是世界頂級(jí)機(jī)器人專家，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（MIT CSAIL）主管，也是CSAIL的首位女性掌門人。在人工智能界，她的名字常常與李飛飛等女性領(lǐng)袖并列。

魯斯的機(jī)器人之夢(mèng)始于兒時(shí)接觸的科幻作品，又在學(xué)生時(shí)代進(jìn)一步發(fā)展為科研志向。她對(duì)于推廣機(jī)器人技術(shù)發(fā)展有著無限的熱情，她的網(wǎng)站首頁上寫著兩句話：“我想象的未來里，機(jī)器人融入人類生活方方面面，以至于它們變得像如今的智能手機(jī)一樣普遍。機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域有著巨大的潛力，能夠在工作、居家以及娛樂等各個(gè)場景中極大地提升我們的生活質(zhì)量?！?/p>

在她的新書《心與芯：我們與機(jī)器人的無限未來》中，魯斯介紹了關(guān)于機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)、自己及其他一線科技工作者的研究進(jìn)展與成果，向大眾展示了機(jī)器人與“魔法”之間逐漸拉近的距離。

這是一部不可多得的機(jī)器人科普之作。你可以看到各式各樣的機(jī)器人，了解技術(shù)的突破與難關(guān)，像機(jī)器人專家一樣看到機(jī)器人與人類協(xié)同的世界。

讓我們一起見證魯斯教授如何把機(jī)器人之夢(mèng)變成現(xiàn)實(shí)，又如何著手創(chuàng)造下一個(gè)未來。

機(jī)器人之夢(mèng)

魯斯生長在共產(chǎn)主義國家羅馬尼亞，愛讀儒勒·凡爾納的小說，經(jīng)常想象自己乘坐神奇的交通工具去往遙遠(yuǎn)的地方?？苹米髌芳ぐl(fā)了她的想象力，她很快沉迷于機(jī)器人之夢(mèng)。

高中畢業(yè)時(shí)，她們?nèi)乙泼竦矫绹?。在愛荷華大學(xué)讀本科時(shí)，魯斯的研究興趣是計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和天文學(xué)，她希望與從事科研工作父母一樣專攻理論研究。但臨近畢業(yè)時(shí)，一次經(jīng)歷改變了她的職業(yè)生涯。

著名的計(jì)算機(jī)科學(xué)理論家約翰·霍普克羅夫特（John Hopcroft）來到她的學(xué)校演講。約翰說：“經(jīng)典計(jì)算機(jī)科學(xué)問題已得到解決。沒有什么重大的未解之謎等待探索。但它也有積極的一面，我們正步入一個(gè)全新的時(shí)代，其特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用?！?/p>

約翰最熱衷的應(yīng)用是機(jī)器人技術(shù)，他認(rèn)為那是計(jì)算機(jī)與物理世界交互的一種方式。之前設(shè)計(jì)的應(yīng)用是為計(jì)算機(jī)創(chuàng)建精確、可預(yù)測(cè)的環(huán)境，但現(xiàn)實(shí)世界充滿不確定性和誤差。我們?nèi)绻Ｍ麢C(jī)器人在混亂的世界中運(yùn)行，就要開發(fā)新模型、新算法和全新的方法。

這一任務(wù)無比艱巨，讓魯斯躍躍欲試。她決定到約翰所在的康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位，讓機(jī)器人之夢(mèng)變成現(xiàn)實(shí)。

然而，在她讀博期間，當(dāng)她設(shè)計(jì)了一些算法幫助機(jī)器人抓取和操縱目標(biāo)物體后，她發(fā)現(xiàn)：“我有漂亮的算法，在模擬中也非常有效，但就是沒有機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)算法所需要的那種力和力矩。”

魯斯意識(shí)到，為了賦予機(jī)器人真正的能力，它們的大腦和身體需要實(shí)現(xiàn)同等的進(jìn)步。她說：“你需要一個(gè)能控制身體的大腦，但是身體必須能夠完成你給它的任務(wù)。因此，你需要考慮身體的能力，然后科學(xué)和數(shù)學(xué)才能賦予身體所需要的控制系統(tǒng)?！庇谑撬龥Q定，不僅要研究機(jī)器人的大腦，還必須構(gòu)建其身體。

制造機(jī)器人：身體與大腦缺一不可

那么，制造機(jī)器人需要什么。首先，要給智能機(jī)器下個(gè)定義。

魯斯認(rèn)為：機(jī)器人是一種可編程的機(jī)械設(shè)備，它從周圍環(huán)境中接收輸入信息，處理所獲取的信息，然后根據(jù)輸入信息采取物理行動(dòng)。換句話說，機(jī)器人是能夠執(zhí)行“感知 - 思考 - 行動(dòng)”循環(huán)的機(jī)器。

如果無法同時(shí)滿足這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它都不能稱為機(jī)器人。否則，我們就要稱任何機(jī)械設(shè)備為機(jī)器人了。鬧鐘這類設(shè)備可以接受輸入并做出行動(dòng)，但感覺不到世界或周圍的環(huán)境。如果鬧鐘在你未及時(shí)關(guān)閉時(shí)，能從桌子上跳到床上叫醒你，我們才可稱其為機(jī)器人。

機(jī)器人的身體由多個(gè)部分組成。首先是底架。我們可以將其視為機(jī)械組件，或者機(jī)器人的“骨架”。接下來，要添加機(jī)電組件，包括傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)以及被稱作“致動(dòng)器”的人造肌肉。將這些組件連接到底架的不同部分，機(jī)器人就可以在發(fā)動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器的作用下移動(dòng)，通過攝像頭和各種傳感器感知周圍發(fā)生的事情。

為了幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更大的規(guī)劃，接下來我們要添加一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是機(jī)器人的大腦，能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、處理信息，向所有發(fā)動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器發(fā)出具體指令。例如，如果我們命令機(jī)器人行走，它要將高級(jí)指令分解為許多任務(wù)和子任務(wù)，這些任務(wù)告訴發(fā)動(dòng)機(jī)和致動(dòng)器具體要做什么，何時(shí)做，或按什么順序做。

機(jī)器人還要有安置專用電子器件和軟件的中間層，它位于機(jī)電組件和中央計(jì)算機(jī)之間，如此一來，機(jī)器人的大腦就可以收集來自傳感器的數(shù)據(jù)，將指令發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)和人造肌肉。我們可以將中間層想象成人類神經(jīng)系統(tǒng)的一種人工形式。

總之，機(jī)器人的身體由 5 個(gè)基本部分組成：

（1）底架

（2）機(jī)電組件（如傳感器、致動(dòng)器、電纜和電源）

（3）計(jì)算硬件（如處理器和存儲(chǔ)器）

（4）通信基板（連接機(jī)電組件和計(jì)算硬件）

（5）大腦（對(duì)機(jī)器人運(yùn)行所需的算法進(jìn)行編碼的軟件，用于管理感知、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、推理、協(xié)調(diào)和控制）

機(jī)器人之芯：大腦的4個(gè)系統(tǒng)

機(jī)器人的大腦是如何思考的？

機(jī)器人的大腦由數(shù)十個(gè)獨(dú)立且相互連接的算法組成，每個(gè)算法都是為特定的工作而設(shè)計(jì)和優(yōu)化的。我們將這些算法的連接方式稱為大腦的結(jié)構(gòu)。例如，規(guī)劃結(jié)構(gòu)以及多種類型的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人大腦的軟件是由單個(gè)程序組成的網(wǎng)絡(luò)，包括高級(jí)人工智能引擎和控制電機(jī)運(yùn)作方式和時(shí)間的低級(jí)控制器。一種運(yùn)用廣泛的規(guī)劃和推理系統(tǒng)是“斯坦福研究院問題求解器”，縮寫為STRIPS。

諾貝爾獎(jiǎng)得主丹尼爾·卡尼曼在其著作《思考，快與慢》中提出假設(shè)——人類的大腦有兩個(gè)決策系統(tǒng)。系統(tǒng) 1 運(yùn)行速度快、不易察覺、訴諸直覺且不精準(zhǔn)。在執(zhí)行日常體力活動(dòng)時(shí)（比如走路、爬樓梯、扣襯衫扣子、彈鋼琴），它控制著我們的無意識(shí)決定。系統(tǒng) 2 運(yùn)行速度慢，深思熟慮，通常用于需要邏輯和集中注意力的決策任務(wù)，例如寫代碼、下棋或整理衣柜。

機(jī)器人智能也有類似的分層，但如果人類有兩個(gè)系統(tǒng)，那么機(jī)器人至少有 4 個(gè)系統(tǒng)。假設(shè)你要求機(jī)器人為她端來一杯咖啡。在規(guī)劃和執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)時(shí)，機(jī)器人大腦的 4 個(gè)層次之間有不同的分工，具體來說大致如下。

（1）認(rèn)知控制器：將要求（“來一杯咖啡”）轉(zhuǎn)換為一系列可實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。它們幫助機(jī)器人做出決定，如果咖啡消耗殆盡該怎么做——是訂購，步行到商店購買，還是詢問周邊人類的建議。認(rèn)知控制器在高度抽象的水平上運(yùn)行，其行為涉及推理、問題解決和決策制定。

（2）任務(wù)控制器：決定機(jī)器人需要做什么才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。要取咖啡首先得穿過房間，因而需要一個(gè)執(zhí)行此操作的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。取到咖啡，還要有移動(dòng)、操作杯子和咖啡壺的規(guī)劃。任務(wù)控制器是執(zhí)行特定任務(wù)或動(dòng)作的控制系統(tǒng)。

（3）高級(jí)控制器：掌控著作為整體的各個(gè)物理組件的運(yùn)動(dòng)。例如，怎么做才能讓機(jī)器人以三足步態(tài)行走，以及如何將腿從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置；它們協(xié)調(diào)低級(jí)控制器，讓腿以正確的方式移動(dòng)，并將其他腿與身體的運(yùn)動(dòng)和位置作為一個(gè)整體來考慮。

（4）低級(jí)控制器：準(zhǔn)確地告訴各個(gè)關(guān)節(jié)（比如腳踝、膝蓋和抓手）中的電機(jī)要做什么、何時(shí)做以及做多久。

取咖啡這個(gè)動(dòng)作對(duì)人們來說既直觀又簡單。但將其構(gòu)建為機(jī)器智能要難得多，必須對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行程。魯斯表示，制造機(jī)器人讓她更加欣賞人類無與倫比的腦力和體力天賦。人類遠(yuǎn)比所有機(jī)械都節(jié)能，一個(gè)蘋果或巧克力棒就能讓人度過一上午，而機(jī)器人需要多次充電才能完成同樣的活動(dòng)。人類推理、思考和適應(yīng)新形勢(shì)的速度非?？?，擁有強(qiáng)大的創(chuàng)造力。

魔法時(shí)刻：我們與機(jī)器人的未來

科幻小說作家阿瑟·克拉克有句經(jīng)常被引用的名言，“任何足夠先進(jìn)的技術(shù)都與魔法無異”。

魯斯更喜歡另一種說法， “魔法只是我們還未發(fā)明的技術(shù)”。兒時(shí)的機(jī)器人之夢(mèng)仍是她現(xiàn)在追逐的目標(biāo)，并且隨著她的成長變得更大膽。

她會(huì)在遇到各種不便時(shí)思考：要設(shè)計(jì)什么樣的機(jī)器人來解決問題。比如遇到堵車時(shí)，能不能按下按鈕讓汽車升空？或者自動(dòng)駕駛足夠成熟，能夠讓她在通勤時(shí)間專心辦公。又或者干脆棄車而去，穿著帶翅膀的外骨骼或機(jī)器人服，像超級(jí)英雄鋼鐵俠一樣飛著去上班？

這些想法并非異想天開。汽車機(jī)器人有很多需要改進(jìn)的地方，但還可以通過提高公路的智能化水平，讓自動(dòng)駕駛汽車的設(shè)計(jì)更容易些。比如在繁忙的路段配備傳感器和智能設(shè)備，如此一來，汽車的能力就不僅取決于其自身的傳感器，而是會(huì)與其他車輛、道路、配備傳感器的護(hù)欄等通信，掌握自身之外的情況，實(shí)現(xiàn)安全高效的駕駛。

盡管鋼鐵俠的戰(zhàn)甲是虛構(gòu)的，但在過去幾十年里，可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域取得了激動(dòng)人心的進(jìn)展。與好萊塢的機(jī)器人形象——笨重、僵硬、堅(jiān)固——迥然不同，魯斯設(shè)想的是像衣服一樣的外骨骼：輕軟，柔韌、美觀、低調(diào)，還能監(jiān)測(cè)肌肉和生命體征，從而增強(qiáng)我們的能力，提醒我們注意健康，防止跌倒。這樣的可穿戴機(jī)器人將在醫(yī)療康復(fù)、工廠、日常生活中發(fā)揮廣泛的作用。

在家務(wù)活中，魯斯討厭倒垃圾，也懶得處理回收品。如果垃圾箱是可以自動(dòng)倒垃圾的機(jī)器人會(huì)怎樣？如果有一臺(tái)冰箱機(jī)器人，就可以感知過期食物，提醒人們哪些食物需要扔掉。我們已經(jīng)有了掃地機(jī)器人、送外賣機(jī)器人、自動(dòng)售貨機(jī)器人。未來，我們可以添加能完成抓放任務(wù)的機(jī)械手，創(chuàng)建更全能的家政機(jī)器人。

上述所有功能在技術(shù)層面都可能實(shí)現(xiàn)。魯斯的目的并非讓人們變成《機(jī)器人總動(dòng)員》中退化的人類，她制訂有關(guān)人與芯片協(xié)作的宏大規(guī)劃，是讓芯片為人類節(jié)省時(shí)間，讓人們專注于人類適合的事——?jiǎng)?chuàng)意思考和人際交流。

當(dāng)我們把視野擴(kuò)展到海洋、太空，抑或難以觀測(cè)的微觀世界時(shí)，機(jī)器人也能輔助我們觸達(dá)更多領(lǐng)域。魚一樣的機(jī)器人 SoFi可以遨游海底而不驚擾魚群，能跟蹤、記錄、監(jiān)控海洋動(dòng)物，還有可能與它們互動(dòng)；涂上了某一蟑螂族群信息素的機(jī)器人能夠潛入蟑螂群落，深入了解昆蟲的社會(huì)行為；太空中的機(jī)器人可以成為人類探索宇宙的前哨戰(zhàn)；手術(shù)中的機(jī)器人可以幫助醫(yī)生完成精細(xì)化操作……

通過與智能機(jī)器人的密切合作，我們可以延伸感知、增強(qiáng)力量、節(jié)約時(shí)間、拓寬邊界、釋放想象力，實(shí)現(xiàn)很多曾經(jīng)無法想象的事情。在魯斯的眼中，我們與機(jī)器人的未來是無限光明的，只要我們用好這個(gè)工具。

魯斯在書中描述的機(jī)器人展現(xiàn)的只是少數(shù)可能的應(yīng)用。在這個(gè)機(jī)器人能力日益增強(qiáng)、任務(wù)導(dǎo)向的世界中，什么樣的機(jī)器可以幫你提升效率？你希望機(jī)器人替你做什么？也許你有更好的方法，可以利用機(jī)器人跳得更高，或在墻體上攀爬，那就去建造吧——魯斯真誠地鼓勵(lì)你去做。如果你有一個(gè)科幻夢(mèng)，請(qǐng)開始繪制草圖、建造和測(cè)試。

【相關(guān)圖書簡介】

基本信息

書名：心與芯：我們與機(jī)器人的無限未來

作者:[美]丹妮拉·魯斯（ Daniela Rus） [美]格雷戈里·莫內(nèi)（Gregory Mone）

ISBN：9787521773057

定價(jià)：69元

出版時(shí)間：2025年3月