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機器人正在進化:3D打印技術助力機器人研發

512 2023-09-06

  你能想象用機器人在廚房做飯嗎?機器人和人類能安全合作嗎?記者從英國最大的機器人實驗室布里斯托機器人實驗室了解到,這些情況不會太遠。

  能合作的互動機器人不會太遠。

  布里斯托爾機器人實驗室(Bristol Robotics Laboratory)正在開展一項關于機器人與人類交互系統(縮寫為Chris)的研究,該研究基于這樣一種假設,即可以通過設計機器人及其“思維”(即認知能力)來實現機器人與人類的安全交互,從而使機器人能夠與人類一起工作。比如在廚房,服務機器人在做攪湯的工作,你可以往湯里加奶油。

  布里斯托爾實驗室主任克里斯·梅爾赫什(Chris Melhersh)教授說:“當我們與他人互動時,我們會理解對方的面部表情、身體姿勢、手勢和語調,分享目標,并理解和遵循語言指令。這個項目的目的是制定規則,我們需要將這種復雜性引入服務機器人,使它們能夠與人類密切合作。比如做湯,機器人不僅要知道目標是把湯做好,還要知道攪湯有多難。當你舉手時,它意味著停止。當熱湯不小心灑到你身上的時候,你可以理解你臉上痛苦的表情。當你要求停止時,停止攪拌。”

  梅爾赫什教授補充道:“機器人現在廣泛應用于制造業,但它們能做的工作通常是有限的,機器人和人類之間通常存在物理障礙。在家庭中,機器人可以為人類提供服務或照顧。我們必須有適當的規則和設計,以確保密切接觸的人類和機器人的安全。”

  實現機器人與人類的安全交互是機器人未來發展的關鍵。“如果我們能夠為機器人和人類在同一個物理空間中的安全合作提供必要的想法”,將會在這一領域帶來相當大的進步,服務機器人在社會中的使用將會讓我們更進一步。"

  克里斯項目包括許多學科,包括機器人工程、認知科學和心理學。大部分工作將在布里斯托機器人實驗室特別設計的房間里進行,在那里會有人記錄研究人員的語氣、手勢和表情,并每分鐘進行檢查,以便制定的規則可以應用到服務機器人技術中。研究人員將制定安全移動和敏感工程的原則,以及語言、交流、決策和行動規劃的原則,使機器人能夠與人類伙伴一起清晰地思考。"我們正處于一個激動人心的機器人新時代的開端。"梅爾赫什教授說。

  幫助殘疾機器人外骨骼進入生活

  美國研究人員利用3D技術打印外骨骼,開發出一種“機器人外骨骼裝置”,幫助殘疾兒童提高行動能力。兩歲女童艾瑪·拉維爾(Emma lavelle)是一名大部分關節先天性彎曲的患者。這是一種非進行性疾病,會造成關節僵硬,肌肉不發達。艾瑪甚至不能拿起玩具和父母擁抱。她只能動她的拇指。

  在一次先天性多數關節彎曲患者的會議上,艾瑪的父母看到一個8歲的孩子在“威爾明頓機器人外骨骼”(W R EX)設備的幫助下抬起手臂,向各個方向移動。這個裝置是由威爾明頓的摩爾/阿爾弗雷德·杜邦兒童公司開發的。醫院研究人員開發了它,并將其附著在體表,在阻力帶和金屬棒的幫助下提供人工輔助,幫助殘疾人提高運動能力。

  這對夫婦認為這個設備可以改變艾瑪的生活,所以他們帶著女兒去威爾明頓嘗試機器人外骨骼。最后,他們看到艾瑪完全自己抬起手臂,抓起糖果放進嘴里。

  然而,對于體重只有11公斤的艾瑪來說,這個金屬裝置實在是太笨重了。醫院研究人員決定設計一種適合艾瑪體型的輕型機器人外骨骼裝置,以便在美國的Stratasys公司借助3D打印技術,將外骨骼的各個部分用制作樂高積木的原材料打印出來,拼接在一起,用帶阻力帶的金屬條連接起來,從而調節上下手臂。

  3D打印機出現在20世紀90年代中期,它實際上是一種使用光固化和紙層壓等技術的快速成型設備。其工作原理與普通打印機基本相同。打印機充滿了“打印材料”,如液體或粉末。與電腦連接后,“打印材料”在電腦的控制下一層層疊加,最終電腦上的藍圖變成實物。

  研究人員還為艾瑪做了一件“夾克”,用來固定外骨骼設備。孩子長得快,第一套設備逐漸不適應。研究人員將新數據輸入計算機程序,用3D打印機打印出一個略大的機器人外骨骼。

  另一個便利是,如果外骨骼的某個部分“骨折”,3D打印機可以打印出相應部分的替換物。艾瑪曾經遇到過這種情況。她的父母拍下了“骨折”的數碼照片,并發送給了研究人員。第二天,他們收到了一塊新骨頭。

  這個裝置大大提高了艾瑪的動手能力,讓她可以像同齡人一樣用畫筆畫畫,抓糖果。斯特拉塞斯公司官網援引艾瑪母親梅根的話說:“艾瑪稱這個裝置為‘魔法手臂’。”

  在這一階段,共有15名兒童使用定制的3D打印“威爾明頓機器人外骨骼”設備。設備研發者之一塔里克·拉赫曼(Tariq Rahman)表示,這種設備不僅提高了殘疾兒童的運動能力,而且還有隱藏的好處,因為長期使用手臂會限制兒童的成長,影響他們的認知和情感發展。

  智能辯論機器人將問世。

  英國研究人員正在開發一種高度智能的自動化系統,可以與人交流。這個系統不能簡單的與人對話,而是可以與人討論甚至爭論,有助于運營者更好的決策。這個系統的原型最快三年就能出來。阿伯丁大學教授Vamboto Vasconcellos表示,開發一個可以與人討論甚至辯論的自動化系統的目的是增加人們對智能技術的信任。

  他說,機器人等自動化系統是現代工業不可或缺的一部分。他們可以在沒有人監視的情況下執行任務。它們可以用在很多領域,可以快速處理大量信息,判斷如何行動。但自動化系統在操作上可能會出錯,有時會“說不清楚,因為人還是系統”。

  Vasconcellos說,如果人們不理解為什么自動化系統在特定時間以特定方式執行特定任務,他們可能會不信任自動化系統。

  機器人會說話并不稀奇,但能與人討論的高智能機器人還停留在科學幻想中。Vasconcellos說:“我們正在創造的是新一代的自動化系統,它可以與人進行雙向交流。”

  這個系統通過在屏幕上顯示單詞和短語而不發出任何噪音來與人交流。在一個典型的交流場景中,人們會問機器人為什么做出某個決定,是否有其他選項,以及為什么不采用其他選項。

  這種交流“允許人們質疑或推翻機器人的決定。”“你可以在必要時命令計算機系統打破或修改規則,以便更好地利用資源或確保安全,”Vasconcellos說。

  人機交流的最終目的是保證機器做出滿意的決策。然而,在雙向交流中,當人對機器給出的所有選擇都不滿意時,機器可能會回答:“對不起,我只能這樣了。”將要討論的高度智能自動化系統預計將部署在其他星球和深海,或用于執行國防任務,或在核設施等危險環境中工作。為了防止系統過于聰明,一意孤行,系統開發者在設計過程中注意防止系統做出威脅、野蠻或敵對的反應,并特別邀請一位心理學家參與設計。

  美國科幻作家艾薩克·阿西莫夫(Isaac asimov)認為,智能機器人的設計必須遵循多項規則,其中最重要的是“機器人不能傷害人,也不能看著人受傷”。

  Vasconcellos說,人機對話之后,人會承擔更多的責任,不能簡單地把錯誤歸咎于機器。“責任伴隨著權力。這些對話都會被存檔,如果出了問題,可以找到責任方。”