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讓機器人上,！
????新一代工業(yè)機器人能給船體除漆,，檢查地下煤氣管道，穿越無人沙漠,，甚至可以修剪你的高爾夫球場 ????作者：Stuart F. Brown ????上個世紀(jì) 80 年代,，第一次工業(yè)機器人浪潮最早出現(xiàn)在工廠。它們大多數(shù)都是固定作業(yè)的,，外觀跟手臂類似,，常被派去干那些所謂的“三D工作”─乏味、骯臟或危險的事情,，比如把晶片插進電路板,、噴漆或者焊接之類的活兒。在這些小發(fā)明旁邊干活的工人們久而久之習(xí)慣于把它們僅僅當(dāng)成是機械工具,，而不是多少也有點自主行動能力的自動化裝置。 ????不過,，機器人的世界也發(fā)生著迅捷的變化,。隨著電腦運算能力飛速提高、價格急劇下降以及全球定位系統(tǒng)（GPS）等導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn),，工業(yè)機器人現(xiàn)已遍布全球,。除了干好那些用傳輸帶送到面前的活兒之外，活動機器人還可以到任何需要的地方去工作。 ????消費者已經(jīng)開始熱衷于用機器人來給地板除塵和修剪草坪,。同時,，大學(xué)里的研究人員正在開發(fā)更先進的機器人，它們不僅可以做“三 D 工作”,，而且可以完成那些需要具備出色獨立決策能力的工作,，如檢查地下天然氣管道，在無人駕駛的情況下穿越崎嶇的沙漠地帶,，甚至行走在水面上檢驗污染物,。為了一睹目前活動機器人的發(fā)展情況，《財富》雜志派人參觀了位于匹茲堡的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機器人學(xué)院,，那是個奇思異想層出不窮的地方,。 ????越野勇士 ????卡內(nèi)基梅隆大學(xué)野外機器人中心創(chuàng)立者雷德?惠塔克（Red Whittaker）是個充滿活力、滿腦子追求成功的家伙,，他從 1984 年就開始研究能夠在極端環(huán)境下工作的活動機器人,。他現(xiàn)在的心思都放在了“無人駕駛沙漠賽車”上。他的“雷德之隊”（Red Team）正竭盡全力備戰(zhàn)五角大樓的第二屆“大挑戰(zhàn)”賽事,，這是一項由美國國防高級研究計劃局（DARPA）贊助的穿越莫哈韋沙漠的機器人駕車比賽,。 ????去年 3 月，“雷德之隊”在參加第一屆 DARPA“大挑戰(zhàn)”時使用了一輛經(jīng)改裝后由機器人控制的多功能軍用輪型車（Humvee）,，1986 年產(chǎn),，綽號“沙漠風(fēng)暴”。這輛老爺車只在沙漠里行駛了 7.4 英里,，就失去了牽引,，陷進起伏不平的沙地里動彈不得。雖然“雷德之隊”的車走得比其它 12 個參賽者都要遠,，但他們還是沒能獲得 DARPA 的百萬大獎,。這次惠塔克勢在必得。2004 年 10 月 8 日,，“雷德之隊”將派兩輛機器人駕駛的悍馬（Hummer）參加第二屆“大挑戰(zhàn)”比賽: “沙漠風(fēng)暴”和別名“陸地巡洋艦”的新款民用悍馬,。每輛車內(nèi)均裝有電腦、傳感器,、激光掃描儀和其它設(shè)備,，使得它們能夠在無人監(jiān)控的情況下在沙漠地帶行駛?！瓣懙匮惭笈灐眱?nèi)的新型超穩(wěn)定傳感器平臺,，可以使它能在崎嶇的地形行駛，與獵豹在大草原上追逐獵物飛奔時仍能保 持頭部相對靜止的原理同出一轍,。 ????兩輛車對工程學(xué)提出了截然不同的挑戰(zhàn),?！叭绻阋獙⒁惠v老式悍馬自動化，那么你應(yīng)該重在改進推動油門踏板和連接部件的氣缸,，因為你的控制方式是機械化的,，”惠塔克解釋道?！岸滦秃否R的引擎,、轉(zhuǎn)動裝置和剎車都是電子控制的，這樣我們只要開發(fā)控制車輛的軟件就行了,?！?/p> ????這回 DARPA 把獎金提高到了兩百萬美元，以吸引眾多發(fā)明天才參賽,。美國軍方也翹首以待有誰能研制出無人駕駛的車輛,。如果“大挑戰(zhàn)”賽事能誕生一輛具有實際操作性的自動化卡車的話，DARPA 將獲得驚人的投資回報,。 ????大賽開始前幾天,，被選中參加本年賽事的 20 支隊伍將接到通知趕赴位于美國西南部的比賽起點，全長 175 英里的比賽路線將在出發(fā)前幾小時才揭曉,。自動化車輛必須在 10 個小時內(nèi)行駛完全程,，才有機會贏得比賽的勝利。 ????惠塔克非常善于招募學(xué)生志愿者來協(xié)助做賽前準(zhǔn)備,，過去幾個月里他們都在忙著編輯加利福尼亞,、內(nèi)華達和新墨西哥等地大片沙漠的電子地圖。他們搜集來自免費和付費渠道的航空數(shù)據(jù),，并且結(jié)合個人自駕車在沙漠中行駛獲得的信息,。“這是我們在 2005 年的秘密武器,，”惠塔克透露,。“我們總共匯集了數(shù)萬兆字節(jié)的地理數(shù)據(jù),，所以制定比賽計劃再也不需要仰賴 MapQuest（提供在線街道搜尋服務(wù)的公司─譯注）了,。” ????濕乎乎的工作 ????剝除船體舊漆的傳統(tǒng)方法是豎起一個腳手架,，讓一群工人用高壓噴射深紅色粗砂來沖刷船體。這是一項又臟又危險的工作,。不但工人們有從腳手架上失足跌落的危險,，而且在此過程中有毒灰塵也會紛紛落下。為了改善這項工作的環(huán)境,，位于佛羅里達州斯圖爾特的自動化船體清潔設(shè)備開發(fā)商 Ultrastrip Systems 開發(fā)出了帶有真空軟管的高水壓噴嘴,，刮下的漆和產(chǎn)生的污水也可以通過軟管進入過濾和處理流程。但是,，這種設(shè)備的銷路并不太好,，因為它工作的速度只有粗砂沖刷的一半,。 ????為了減少工作量，Ultrastrip 決定將這項工作自動化,，開發(fā)一個自動除漆噴頭,。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機器人專家?guī)椭摴鹃_發(fā)了 M3500 型除漆機器人,，它不但能在可旋轉(zhuǎn)的橡膠輪上移動，其獨特的永磁材質(zhì)還可以讓其牢牢吸附于船體上,。 ????實踐證明,，要給機器人安裝可視系統(tǒng),，從而使它具有獨立行動能力,，頗具難度。所以這一裝置是由一名工人通過控制桿來操作的,。旋轉(zhuǎn)噴嘴噴出的水柱壓力高達每平方英寸 50,000 磅。（兩根纜繩為在船體上工作的機器人提供輔助安全支撐。）可以通過上下調(diào)節(jié)來避免噴嘴碰到焊縫或其它障礙,。強大的水流沖擊船體后,，使表面升溫,，這樣已清洗的部分很快就會變干,。 ????Ultrastrip 的首席執(zhí)行官斯蒂芬?詹森（Stephen Johnson）宣稱: “一個機器人干起活來能頂 10 個工人,，而且質(zhì)量要比用粗砂沖刷還來得好,?！?/p> ????詹森介紹，Ultrastrip 已經(jīng)銷售了七套這樣的設(shè)備,，售價為每套 80 萬美元,。Ultrastrip 的機器人幫嘉年華郵輪（Carnival Cruise Lines）保持整潔的外觀。美國海軍的一艘導(dǎo)彈驅(qū)逐艦科爾號（Cole）2000 年在也門亞丁遭恐怖襲擊破壞后,，Ultrastrip 的機器人亦曾受雇為它整飭,。自動剪草消費者最終會希望得到完全自動化的產(chǎn)品，對這一點你應(yīng)該已有了初步認(rèn)識,。景觀維護設(shè)備制造商 Toro 公司預(yù)測,，消費者對自動剪草機的需求潛力很大?！皬目萍嫉陌l(fā)展速度來看,，我們認(rèn)為機器人用不了多久就能修剪高爾夫球場了，”首席執(zhí)行官肯德里克?梅爾羅斯（Kendrick Melrose）很有信心,?！拔覀冊谘芯亢烷_發(fā)產(chǎn)品時考慮的是十年至二十年內(nèi)我們行業(yè)的發(fā)展趨勢,。很顯然,，消費者需要的是更少的勞力支出,?！?/p> ????Toro 公司的高級園林技術(shù)中心一直在醞釀未來的計劃，該中心由機械工程師黛納?勞恩（Dana Lonn）領(lǐng)導(dǎo),。幾年前，勞恩曾請包括助理研究教授桑吉夫?辛格（Sanjiv Singh）在內(nèi)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)科學(xué)家?guī)椭_發(fā)具有先進可視和導(dǎo)航能力的自動剪草機。他們選擇進行自動化的是 Toro 公司的 3500D 型旋刀剪草機,，該款重型剪草機主要應(yīng)用于高爾夫球場和運動場地,。 ????勞恩認(rèn)為，自動草坪剪草機的研發(fā)面臨兩個根本性的難題,。一是精確定位（知道自己在哪里）,，二是探測障礙物（這樣才不會撞到東西）。Toro 的原型機如果安上比較便宜的 GPS 接收器的話,，在開闊草地和平地上的導(dǎo)航非常輕松,，但當(dāng)它在伸展開來的樹枝或在其它障礙物下面行駛的時候，它就無法持續(xù)接收到 GPS 衛(wèi)星信號,。 ????在這種情況下,，剪草機需要輔助導(dǎo)航設(shè)備才能繼續(xù)按既定路線前進?？尚械慕鉀Q辦法之一是采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng),，即 INS，利用多個回轉(zhuǎn)儀作為傳感器來定位,。很多飛機目前都使用昂貴的 INS 系統(tǒng),。不過，快速發(fā)展的硅質(zhì)微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的市場以其成本低廉而更受工程師們青睞,。小巧便宜的 MEMS 回轉(zhuǎn)儀現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng),。GPS 生產(chǎn)商也正想方設(shè)法將其用于低成本的 INS 類產(chǎn)品上。 ????另外一個辦法是在剪草機上安裝激光系統(tǒng),，將射到修剪范圍內(nèi)的反射體上的光彈回,，再通過數(shù)學(xué)三角分割計算（這同樣應(yīng)用在 GPS 系統(tǒng)上），當(dāng)剪草機的 GPS 天線無法接收信號時,，激光系統(tǒng)就能接過導(dǎo)航的任務(wù),。不過，不管用何種方法,，勞恩都認(rèn)為導(dǎo)航問題很快就能得到解決,。設(shè)計可靠的視頻探視系統(tǒng)則是另一個完全不同的難題。機器人剪草最基本的判斷原則是什么呢,？綠色的就是好的,。“我們的想法是,，如果機器人碰到的東西是好的,，那么它們通常都是綠的，”勞恩解釋說,?！岸绻粋€物體不是綠色的,，那么我們就需要再湊近看仔細一點?！钡?，綠色的東西也分很多種形態(tài)和質(zhì)地: 你怎么也不會樂意看到自己的剪草機在修剪航路旁的綠化帶，或是俱樂部會所門前的阿斯特羅草皮（Astroturf）,。 ????Toro 的剪草機還能看到像高爾夫球那么大的物體,。由于普通攝像頭會受到太陽光角度和露珠反射光的不利影響，所以研究專家嘗試將工業(yè)用激光掃描器放置在一個平臺上,，就像探照燈那樣可以左右掃動,。激光掃描器非常昂貴，但在慢速下辨別障礙的效果很好,。既然眼下消費者對快速剪草機的需求源自降低人力成本的考慮,，那么自動剪草機的速度就不那么要緊了?！爱?dāng)機器可以無人操控時,，它的經(jīng)濟價值就是另一回事了，”勞恩說道,?！八俣嚷稽c應(yīng)該沒啥問題?！?/p> ??? 向蜥蜴學(xué)習(xí) ????仿生學(xué)是一門仿效動植物界適應(yīng)環(huán)境的成功例子的科學(xué)。壁虎和它們那粘性十足的腳是仿生學(xué)研究的熱門課題,，所以不奇怪為什么梅汀?斯提（Metin Sitti）助教會在機器人學(xué)院辦公室的玻璃容器里養(yǎng)著一只名叫“皮諾托”的巨人壁虎,。 ????斯提生于土耳其，在日本接受教育,。這位33 歲的助教和他的學(xué)生正致力于造出具備壁虎腳功能的人工合成材料,，使小型機器人可以借此為支撐，在光滑平面上爬行,。 ????壁虎的腳趾上覆蓋著數(shù)百萬根細小的絨毛,。每根絨毛末端都分叉成更小的一叢毛，特別像一把微型掃帚,。這一整片絨毛形成的表面使壁虎能夠利用范德瓦爾斯引力爬墻,，甚至頭朝下附著在玻璃上。到目前為止,，研究專家只找出了一種它無法附著的材料,，那就是特氟綸。 ????科學(xué)家們計算出理論上壁虎的一根足毛就能支撐其全身的重量,，這說明如果人在手掌和膝蓋上戴著類似材料的墊子,，就有可能攀爬墻壁,。斯提的研究小組已經(jīng)實現(xiàn)了絨毛的十分之一粘性，他們盼望能很快獲得更大的進展,。 ????斯提對分子間斥力也很感興趣,，這種力能使某些昆蟲在靜止的水面疾走而不打破液體表面張力。斯提制作了一個小型水上行走機器人,，它的六條腿由金屬絲做成,，外面包著防水塑料。三個壓電驅(qū)動器推動它中間的腿像劃艇的漿那樣做橢圓形運動,。 ????斯提的水上機器人重量不到一克,，以超細電線傳輸動力。薄膜高分子電池可使第二代機器人可以自由地奔跑,。斯提預(yù)言,，裝有微型生化傳感器的自動水上昆蟲可以在將來擔(dān)當(dāng)環(huán)境監(jiān)控的工作。內(nèi)部空間隨著美國地下管道基礎(chǔ)設(shè)施的逐年老化,，各家公用設(shè)施公司都面臨著找出并修復(fù)日益增多的地下設(shè)施泄漏問題,。要查出一處泄漏點是十分困難的，一有問題,，公司常常要在許多地方打洞,。 ????卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的首席系統(tǒng)科學(xué)家哈根?申普夫（Hagen Schempf）指出: “煤氣公司一般都在等著你打電話給他們說，｀我聞到煤氣味了,。＇然后,，他們派人來檢查是否有泄漏?！睎|北部的天然氣供應(yīng)商認(rèn)為,，如果他們多做一些預(yù)防性的維護，而不是事后的緊急維修,，那么維修費用會更加經(jīng)用,。正是基于這一想法，名為“探索者”（Explorer）的機器人才得以誕生,。它看起來就像一串金屬香腸,，用于檢測分段管道。 ????探索者由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)申普夫掛帥的工程小組負責(zé)開發(fā),，東北部天然氣協(xié)會,、國家航空航天局（NASA）和能源部為該項目提供資金。申普夫解釋說: “我們的想法就是要通過檢查主要管道來預(yù)防問題的出現(xiàn),?！彼嘈牛嚓P(guān)公司將會聘請一些使用他研制的管道檢測機器人作業(yè)的專業(yè)服務(wù)公司來檢查地下主干管道（他認(rèn)為,，服務(wù)承包商很可能會按英尺來計價收費）,。 多關(guān)節(jié)的構(gòu)造使 45 磅重的探索者能力極強,，可在 60~80 英寸的管道內(nèi)爬行時作 90 度轉(zhuǎn)彎。這一由電池驅(qū)動的機器人在兩端都裝有廣角攝像頭,。它用連接著鰭狀腿的機動滾軸貼著管道的內(nèi)壁使自己前進,。 ????在去年夏天紐約州楊克斯市進行的實地測試中，康?埃迪森（Con Edison）成功地操作探索者穿過了幾百英尺長的鑄鐵管道,，這段管道是 19 世紀(jì) 90 年代埋入地下的,。機器人在管道內(nèi)以每秒四英寸的速度爬行時，攝像頭把畫面無線傳送給操作者,，后者在附近車內(nèi)就可以看清管道的內(nèi)部情況,。 ????將來更先進的機器人將使用復(fù)雜的評估傳感器來檢測管道內(nèi)腐蝕和裂縫的情況，這些情況單用視頻影像不一定能看清楚,。 ????譯者: 陳曄 相關(guān)稿件
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