今年初，春晚上的人形機器人又一次掀起了大眾對于機器人的討論熱潮。

機器人的技術發展到哪里了？

它們能做什么、不能做什么？

又會給人類帶來怎樣的挑戰與機遇？

在解答人工智能及機器人相關問題這一塊，很少有人能比丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）更資深。她是世界頂級機器人專家，麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（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袖并列。

魯斯的機器人之夢始于兒時接觸的科幻作品，又在學生時代進一步發展為科研志向。她對于推廣機器人技術發展有著無限的熱情，她的網站首頁上寫著兩句話：“我想象的未來里，機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一樣普遍。機器人學領域有著巨大的潛力，能夠在工作、居家以及娛樂等各個場景中極大地提升我們的生活質量?！?/p>

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

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

讓我們一起見證魯斯教授如何把機器人之夢變成現實，又如何著手創造下一個未來。

1.機器人之夢

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

高中畢業時，她們全家移民到美國。在愛荷華大學讀本科時，魯斯的研究興趣是計算機科學、數學和天文學，她希望與從事科研工作父母一樣專攻理論研究。但臨近畢業時，一次經歷改變了她的職業生涯。

著名的計算機科學理論家約翰·霍普克羅夫特（John Hopcroft）來到她的學校演講。約翰說：“經典計算機科學問題已得到解決。沒有什么重大的未解之謎等待探索。但它也有積極的一面，我們正步入一個全新的時代，其特點是計算機技術的廣泛應用。”

約翰最熱衷的應用是機器人技術，他認為那是計算機與物理世界交互的一種方式。之前設計的應用是為計算機創建精確、可預測的環境，但現實世界充滿不確定性和誤差。我們如果希望機器人在混亂的世界中運行，就要開發新模型、新算法和全新的方法。

這一任務無比艱巨，讓魯斯躍躍欲試。 她決定到約翰所在的康奈爾大學攻讀博士學位，讓機器人之夢變成現實。

然而，在她讀博期間，當她設計了一些算法幫助機器人抓取和操縱目標物體后，她發現：“我有漂亮的算法，在模擬中也非常有效，但就是沒有機器人可以實現算法所需要的那種力和力矩。”

魯斯意識到，為了賦予機器人真正的能力，它們的大腦和身體需要實現同等的進步。她說：“你需要一個能控制身體的大腦，但是身體必須能夠完成你給它的任務。因此，你需要考慮身體的能力，然后科學和數學才能賦予身體所需要的控制系統?！庇谑撬龥Q定，不僅要研究機器人的大腦，還必須構建其身體。

2.制造機器人：身體與大腦缺一不可

那么，制造機器人需要什么。 首先，要給智能機器下個定義。

魯斯認為：機器人是一種可編程的機械設備，它從周圍環境中接收輸入信息，處理所獲取的信息，然后根據輸入信息采取物理行動。換句話說，機器人是能夠執行“感知 - 思考 - 行動”循環的機器。

如果無法同時滿足這三個標準，它都不能稱為機器人。否則，我們就要稱任何機械設備為機器人了。鬧鐘這類設備可以接受輸入并做出行動，但感覺不到世界或周圍的環境。如果鬧鐘在你未及時關閉時，能從桌子上跳到床上叫醒你，我們才可稱其為機器人。

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

為了幫助機器人實現更大的規劃，接下來我們要添加一臺計算機，它是機器人的大腦，能夠存儲數據、處理信息，向所有發動機和致動器發出具體指令。例如，如果我們命令機器人行走，它要將高級指令分解為許多任務和子任務，這些任務告訴發動機和致動器具體要做什么，何時做，或按什么順序做。

機器人還要有安置專用電子器件和軟件的中間層，它位于機電組件和中央計算機之間，如此一來，機器人的大腦就可以收集來自傳感器的數據，將指令發送給發動機和人造肌肉。我們可以將中間層想象成人類神經系統的一種人工形式。

總之，機器人的身體由 5 個基本部分組成：

（1）底架

（2）機電組件（如傳感器、致動器、電纜和電源）

（3）計算硬件（如處理器和存儲器）

（4）通信基板（連接機電組件和計算硬件）

（5）大腦（對機器人運行所需的算法進行編碼的軟件，用于管理感知、規劃、學習、推理、協調和控制）

3. 機器人之芯：大腦的4個系統

機器人的大腦是如何思考的？

機器人的大腦由數十個獨立且相互連接的算法組成，每個算法都是為特定的工作而設計和優化的。我們將這些算法的連接方式稱為大腦的結構。例如，規劃結構以及多種類型的學習結構。機器人大腦的軟件是由單個程序組成的網絡，包括高級人工智能引擎和控制電機運作方式和時間的低級控制器。一種運用廣泛的規劃和推理系統是“斯坦福研究院問題求解器”，縮寫為STRIPS。

諾貝爾獎得主丹尼爾·卡尼曼在其著作《思考，快與慢》中提出假設——人類的大腦有兩個決策系統。系統 1 運行速度快、不易察覺、訴諸直覺且不精準。在執行日常體力活動時（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決定。系統 2 運行速度慢，深思熟慮，通常用于需要邏輯和集中注意力的決策任務，例如寫代碼、下棋或整理衣柜。

機器人智能也有類似的分層，但如果人類有兩個系統，那么機器人至少有 4 個系統。假設你要求機器人為她端來一杯咖啡。在規劃和執行這項任務時，機器人大腦的 4 個層次之間有不同的分工，具體來說大致如下。

（1）認知控制器：將要求（“來一杯咖啡”）轉換為一系列可實現的任務。它們幫助機器人做出決定，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。認知控制器在高度抽象的水平上運行，其行為涉及推理、問題解決和決策制定。

（2）任務控制器：決定機器人需要做什么才能實現目標。要取咖啡首先得穿過房間，因而需要一個執行此操作的運動規劃。取到咖啡，還要有移動、操作杯子和咖啡壺的規劃。任務控制器是執行特定任務或動作的控制系統。

（3）高級控制器：掌控著作為整體的各個物理組件的運動。例如，怎么做才能讓機器人以三足步態行走，以及如何將腿從當前位置移動到目標位置；它們協調低級控制器，讓腿以正確的方式移動，并將其他腿與身體的運動和位置作為一個整體來考慮。

（4）低級控制器：準確地告訴各個關節（比如腳踝、膝蓋和抓手）中的電機要做什么、何時做以及做多久。

取咖啡這個動作對人們來說既直觀又簡單。但將其構建為機器智能要難得多，必須對每個步驟進行程。魯斯表示，制造機器人讓她更加欣賞人類無與倫比的腦力和體力天賦。人類遠比所有機械都節能，一個蘋果或巧克力棒就能讓人度過一上午，而機器人需要多次充電才能完成同樣的活動。人類推理、思考和適應新形勢的速度非?？?，擁有強大的創造力。

魔法時刻：我們與機器人的未來

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

魯斯更喜歡另一種說法， “魔法只是我們還未發明的技術”。兒時的機器人之夢仍是她現在追逐的目標，并且隨著她的成長變得更大膽。

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

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

盡管鋼鐵俠的戰甲是虛構的，但在過去幾十年里，可穿戴機器人領域取得了激動人心的進展。與好萊塢的機器人形象——笨重、僵硬、堅固——迥然不同，魯斯設想的是像衣服一樣的外骨骼：輕軟，柔韌、美觀、低調，還能監測肌肉和生命體征，從而增強我們的能力，提醒我們注意健康，防止跌倒。這樣的可穿戴機器人將在醫療康復、工廠、日常生活中發揮廣泛的作用。

在家務活中，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倒垃圾的機器人會怎樣？如果有一臺冰箱機器人，就可以感知過期食物，提醒人們哪些食物需要扔掉。我們已經有了掃地機器人、送外賣機器人、自動售貨機器人。未來，我們可以添加能完成抓放任務的機械手，創建更全能的家政機器人。

上述所有功能在技術層面都可能實現。魯斯的目的并非讓人們變成《機器人總動員》中退化的人類，她制訂有關人與芯片協作的宏大規劃，是讓芯片為人類節省時間，讓人們專注于人類適合的事——創意思考和人際交流。

當我們把視野擴展到海洋、太空，抑或難以觀測的微觀世界時，機器人也能輔助我們觸達更多領域。魚一樣的機器人 SoFi可以遨游海底而不驚擾魚群，能跟蹤、記錄、監控海洋動物，還有可能與它們互動；涂上了某一蟑螂族群信息素的機器人能夠潛入蟑螂群落，深入了解昆蟲的社會行為；太空中的機器人可以成為人類探索宇宙的前哨戰；手術中的機器人可以幫助醫生完成精細化操作……

通過與智能機器人的密切合作，我們可以延伸感知、增強力量、節約時間、拓寬邊界、釋放想象力，實現很多曾經無法想象的事情。在魯斯的眼中，我們與機器人的未來是無限光明的，只要我們用好這個工具。

魯斯在書中描述的機器人展現的只是少數可能的應用。在這個機器人能力日益增強、任務導向的世界中，什么樣的機器可以幫你提升效率？你希望機器人替你做什么？也許你有更好的方法，可以利用機器人跳得更高，或在墻體上攀爬，那就去建造吧——魯斯真誠地鼓勵你去做。如果你有一個科幻夢，請開始繪制草圖、建造和測試。

點擊封面，即可購買

基本信息

書名：心與芯：我們與機器人的無限未來

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

ISBN：9787521773057

定價：69元

出版時間：2025年3月