cookieOptions = {...}; .機器人進化的終極形態就是終結者嗎?哈佛大學可不這麼認為 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

3S MARKET

3S MARKET
2018年3月2日 星期五

Untethered soft robot


 NETGEAR  M4300系列 全網管交換器

leiphone 作者:大壮旅

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

哈佛大學的科學家們,正在努力推動新機器時代的到來,他們要讓蜷縮在工廠角落的機器們,成為我們生活的日常。當然,這些機器人會換變換其他形態示人。

歡迎來到新的機器時代,各路才能迥異的科學家,都能使用先進材料、廉價傳感器、3D 列印和強大的電腦,來助力機器人研發的腳步了。

在上一個機器週期中,創新改變了我們的工廠和倉庫,不過這些機器人更適合在可控的環境中工作,大多數時間游離在公共視野之外。

對哈佛和全球其他地方的研究者來說,新的目標是讓機器們在「主幹道」上亮相。「在科幻小說裡,這樣的景象我們已經耳濡目染 50 多年了。」 Robert Wood 說道,他是哈佛工程和應用科學教授。「不過,這樣的機器人在哪呢?」

次世代機器人肯定要廣泛進入現實世界,它們不但要在森林和田地中跋涉去乾重體力活,還要載著人們出行。當然,也少不了在廚房裡做些家務。

這可不是胡亂開腦洞的瞎猜,畢竟像亞馬遜這樣的零售巨頭,已經開始著手用無人機送貨了,而自動駕駛測試車,也成了許多城市的新風景,能掃地拖地擦窗戶的機器人,也成了許多家庭的標配。

不過,以上這些任務只是未來機器人的常規工作,在危急時刻它們還要做些精細的工作,如災害搜救、幫殘疾人重新奔跑、修復受傷的心臟,甚至還要替人類打仗。

工程學教授 Robert Howe 就表示:「當然,現在我們已經掌握了不少技術,過去十年來的技術突破,讓我們能打造足夠棒的機器人,來解決現實問題了。」


机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为「我們已經造了許多大家根本意想不到的機器人」

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

新勢力推動者
哈佛最近在機器人領域的一系列動作,讓這潭死水重新活了起來。大學教授 George Whitesides 就提到,他在柔性機器人上的突破,就與哈佛在柔性材料物理學,和微觀流體上的成就密切相關。

最早推動柔型機器人風潮的是日本研發人員,那還是在上世紀 90 年代。最近,Whitesides、Wood 和一些大學的創新重新讓該領域動了起來,為新的設計和特性趟出了一條路,機器人不再是僵硬的齒輪,和槓桿驅動的鐵疙瘩了。

「透過新材料的應用,我們替換了老式控制機構。」 

Whitesides 說道。說這番話時,他正手握一個長得像海星的橡膠夾鉗,只要充滿氣,它就能牢牢抓住某個物體。「如果沒有新材料和新技術,老式機器人根本沒有革新之日。」

研究人員的努力,創造了各種天馬行空的新型機器人,有些即使被車輛碾過,它們也能正常工作。此外,它們還用蠕動和爬行,代替了滾動和生硬的前行。

此外,這些機器人還連帶促進了新製造技術的發展,比如 3D 列印。更有趣的是,這些機器人成了《國家地理》雜誌的內容生產利器,在海底收集到了大量前所未見的珊瑚。當然,創新也催生了大量新公司,新產品的商業化更是方便了,包括農場、倉庫和生產線在內的各行各業。


机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

「將創意轉化成商品的過程,也相當有趣。」 Whitesides 說道。「機器人最先解決的問題,是我意想不到的,而且整個商品化過程,比我想像中要快得多。」

哈佛大學技術發展辦公室的 Sam Liss 指出,類似 Soft Robotics 這樣的新創公司,已經能提供相對簡單的機器人研發方式了。

「新創公司的結構已經相當成熟。」他說道。「僅僅幾年而已,Soft Robotics、RightHand Robotics 和 Root Robotics 等公司就拔地而起了,未來肯定還會有更多公司加入其中。這樣的轉變對哈佛也是個啓示,我們不但要重視研發,各院系還要集中精力將研發成果轉化成有影響力的實際產品。

哈佛機器人「勢力」的野蠻生長,主要靠鮑爾森工程和應用科學院,生物工程系也功不可沒。教職工、學生和學會成員普遍反映,在機器人開發工具,和設備上的大力投資,對他們的工作影響頗深。

「對我的工作來說,這些工具實在太重要了,學生們和博士後終於有趁手的傢伙了。」Wood 說道。

團隊合作
哈佛大學一直有個機器人專家核心團隊,雖然只有十個人左右,但他們會定期進行交流合作。專家團隊海陸空機器人通吃,只要它們能協助人類完成工作。當然,這些機器人也得反映出開發者的創新意識和思維。

「我們已經造了許多大家根本意想不到的機器人」電腦科學教授 Radhika Nagpal 說道。「會飛的、能爬牆的、可穿戴的機器人都已經成了現實。現在的機器人可狂野得多,它們更像是動物,而非傳統印象中的輪式車輛或金屬骨架。

這些機器人中的代表之一是 RoboBee,它由 Wood 一手開發,使用 Nagpel 的軟件來控制。這個昆蟲大小的飛行機器人,不但能變身測量工具,還能在災區、農業病蟲害,甚至戰區採集數據和圖片。這麼小的體型,傳統的機械槓桿、齒輪等現成零組件完全用不上,它需要的可不只是天才設計師。

「就拿 RoboBee 來說,它用的零件市場上可買不到。」Wood 說道。「我們得一切從頭做起:新的製造技術、啓動器、傳感裝置、計算架構甚至能源儲存都得一一攻克。另外,控制機器人動作的算法,也是從零開始,之前的老經驗都派不上用場了。雖然挑戰多多,但我們真心喜歡這個過程,不僅是研發成功後的喜悅和各種新功能,還有整個過程中沈澱下來的新技術。」

Wood 就舉了個例子:飛行機器人用到的傳感器和致動器,就能移植到生物醫學設備中,因為微創手術設備(如內窺鏡)的「體型」可是相當重要。

工程和應用科學教授 Walsh 指出,醫學機器人頗受業內重視,主要原因就是它們對人類生活品質的積極影響。眼下,Walsh 的試驗室正在打造柔性外骨骼套裝,也許未來的一天,他們能讓中風病人重新站起來,用自己的腳步丈量大自然。

哈佛機器人系在醫學機器人的研究上,還有個得天獨厚的優勢,即哈佛醫學院及其下屬的 16 家醫院和研究機構的支持,病人到底需要什麼它們絕對心知肚明。

舉例來說,在美國國家衛生研究所的支持下,Howe 和波士頓兒童醫院的兒科主管 Pierre Dupont 已經合作多年,他們要用機器人解決心臟外科手術。如果能取得成功,就能用微創手術代替現在痛苦的開胸手術了。

「對病人來說這絕對是個福音,創傷和風險都要小得多。」Dupont 說道。「我們在做的,是臨床醫生原來想都不敢想的。」

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为「我們想做的是能真正提升人類生活品質的產品」

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

Walsh 還將柔性外骨骼的技術,授權給了 ReWalk Robotics 公司,後者有計劃今年推出用於臨床試驗的產品,並在五年內把概念變成商店裡的商品。

「我們想做的是能真正提升人類生活品質的產品」。Walsh 說道。

Walsh 的研究成果,能在醫學上得到應用,也有美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的一份功勞,雖然它們當初是想借外骨骼技術,打造超級士兵。不過,現在該技術卻成功下放到民用領域,不但能解決心臟外科手術,還有希望讓脊柱受傷、中風病人重新站起來。

「柔性系統概念的前提,是它必須足夠輕量化,沒有限制性且對人的生物特性有最小的影響,它的作用就像肌肉。」

Walsh 說道。「現在的問題是,這樣的系統真的對人的移動能力,產生積極作用嗎?」

從室內跑步機和長距離行軍測試來看,其增強效果約為 15%。除此之外,Walsh 的團隊還在測試中,幫中風病人提高了行走效率,減少了肢體間的功能性不對稱。未來,團隊還有其他高山要翻越,比如對外骨骼套裝進行輕量化,加大系統助力並保證套裝與自然動作同步。

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

行為問題
除了要解決機器運動的問題,瞭解它們如何思考也同樣重要,這也是哈佛大學研究人員一直在深思的問題。工程和計算科學助理教授 Scott Kuindersma 在增強控制系統上,有自己的觀點,他認為這樣才能完整釋放機器人的潛力。

「在我看來,物理能力完全合格的機器人並不難造。」Kuindersma 說道。「不過這些機器人卻無法實現自己的動態極限,在實際工作中也不夠穩健。從根本上來講,這是個計算的問題。」

最近,Kuindersma 的敏捷機器人試驗室迎來了名為 Cassie 的兩足機器人,它看起來就像一隻鴕鳥。Agility Robotics 公司設計的 Cassie ,就是 Kuindersma 所說的,物理能力完全合格的機器人。

「Cassie 用的還是 Agility Robotics 的老式控制器。」Kuindersma 說道。「它到實驗室後,我們做的第一個工作就是刪掉這個控制器。隨後,我們會開發新的算法,爭取將機器人的運動能力推到極限,Cassie 將成為一個實驗平台。如果一切順利,未來我們將用它展示高速戶外運動能力,而整個運動過程中 Cassie 將利用高頻視覺傳感器反饋,來規劃動態行走的動作。」

「想想那些在山澗中跳躍的山羊,如果它們不能迅速決定把腳放到哪,恐怕就會墜落山崖,而在那種複雜的地形下選個落腳地可不容易。我們想做的就是讓機器人也擁有像山羊一樣的能力。」Kuindersma 說道。

與 Kuindersma 專注於控制複雜動作的意圖不同,Nagpal 更在意如何驅動複雜的群組行為。

「我們的實驗室一直有經由簡單實現複雜的傳統。」Nagpal 說道。

「個體能力即使再強也有限制,因此我們更願意靠群體的力量來實現目標,團隊合作也是自然界中的通行規律。」


机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为「個體能力再強也有限制」

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为

為了實現自己的目標,Nagpal 在多地研究了擅長團隊合作的動物,如納米比亞的白蟻和巴拿馬的軍蟻,它們都是不需要進行中央調配,就能完成挑戰性十足任務的群居昆蟲。

「自然環境裡就有典型範例,實現完美的合作不需要繁多的條件,我們也想複製這種模式。」Nagpal 說道。「如果能成功,我們就能用上大量並不複雜的零組件,它們之間的協作也不複雜,但照樣能實現複雜的目標。」

按照這一理念,Nagpal 開發了小型機器人 Kilobot,它只需遵循簡單的指導方針,如位置和附近機器人的動作。組成集群後,Kilobot 們就能執行複雜任務了。

在一次展示中,這些小傢伙們排成了類似海星的隊伍,但整個過程,卻不需要複雜的電腦大腦或控制系統。她的團隊還在白蟻的啓發下開發了一款機器人,組成集群後就能在用戶指定區域工作。

「我們可以設定相關規則,讓它們總是能搭建正確的結構。」Nagpal 說道。「而且你不用管這個群體到底有 10 台,還是 50 台機器人,這些機器人也無需知道同伴的位置,它們甚至不需要知道自己的具體任務。

在 Nagpal 看來,這種能集群工作的機器人,潛在應用場景很多,它們能快速做出災害應對,如幫救災人員壘起沙袋牆。加上環境傳感器後,也能執行勘探任務。Nagpal 的試驗室還開發出了機器魚,這些廉價的機器人能充當海底探測器,替換昂貴的潛艇。

Nagpal 指出,Kilobot 的誕生是技術快速發展的結果,新技術可不只是增加了新系統的複雜性,還大幅降低了成品零組件的價格。

「我原本認為玩硬體就是浪費錢,因為當時一台機器人要價 10 萬美元。」Nagpal 說道。「不過現在我改變想法了,因為機器人的成本已經降到了數百美元,我實驗室裡還有幾千個,成本只要 20 美元的小傢伙呢。」

Nagpal 已經將 Kilobot 的技術授權給了 K-Team(一家小型機器人製造商),現在全世界已經有 10 家試驗室用上了 Kilobot,其中有兩家甚至組建了規模達 1000 台的 Kilobot 集群。

「Kilobot 創造了一個活力十足的研究領域,其他實驗室用它打造的新系統我自己都不敢想像。」Nagpal 說道。

机器人进化的终极形态就是终结者吗?哈佛大学可不这么认为章魚一直是柔性機器人的靈感來源

未來的創新者
教授們努力開發新一代機器人的同時,大學生們也在不斷累積知識和經驗,他們將成為 21 世紀下半葉,機器人開發的中堅力量。

在這之後,還有無數的創新者正處在萌芽階段,他們可能正在實習,也可能正透過哈佛的機器人俱樂部,接觸機器人或者坐在教室裡聽講。

如果你在哈佛的課程中搜索「機器人」這個詞語,能得出包括微型機器人、人工智慧、控制理論等多種多樣的課程。

「非正式機器人也正在成為設計和打造機器人的新範式。」哈佛設計學院講師 Chuck Hoberman 說道。眼下,在高科技實驗室做複雜龐大的機器人,已經不再流行,學生拿起手邊的日常材料,配合廉價的電腦零件,打造機器人才是新趨勢。

「哈佛開設此類課程主要是培養學生的發散思維。」Hoberman 說道。「看到學生的作品你肯定會非常驚訝,因為有的甚至只是紙片和塑料而已。不過,配上快速成型技術和一些市場上就能買到的電子元件,我們的學生能讓一片紙在家中自由漫步,這片紙甚至還能根據周圍環境,改變自己的路線。見證奇跡的時刻就是設備打開的那一刻,對於年輕設計師來說這也是相當重要的經驗。」

在課堂之外學生們的動手能力,也有不同程度的提高,去年哈佛本科生機器人俱樂部,就解決了一系列的設計問題。俱樂部成員表示,雖然大家來自不同院系,精通電腦科學、機械工程和電子工程的大牛都有,但機器人是一個跨學科項目,因此大家必須齊心協力。

年僅 17 歲的 Shaan Erickson 認為,這個俱樂部對她的思路影響很大,未來她想在汽車行業一展才華。「它讓我大開眼界,見識到了一個全新的領域,我願意為它貢獻自己的一份力量。」

Via. The Harvard Gazette

2018 智慧城市展 3月27-30日@南港展覽館
3S Market 為您連結智慧應用商機


                                                                                                                                                                                                                 



0 comments: