九分地,虽不多,但足矣
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最酷的工作:研发各式机器人

据Science News for Students报道,每当提及机器人的时候,你可能会想到《机器人总动员》(Wall-E)中的机器,它的设计是为了完成许多无聊的任务,比如压缩垃圾。但如今的工程师们正在制造能做更多有趣工作的机器人,比如蛇形机器人将来可以在地震后寻找受害者,或者帮助医生进行手术。水下机器人也许能够带领鱼类远离环境灾难,人形机器人可以帮助患有疾病或身体残疾的人。

为这些机器人编程并制造它们是非常吸引人的工作。许多研究人员对实验室中的机器进行修补,并编写计算机软件来控制它们。美国卡内基梅隆大学的豪维·乔塞特(Howie Choset)说:“它们是市面上最好的玩具。”乔塞特是个机器人专家,主要从事机器人设计、编程以及制造工作。

神奇的蛇形机器人

当乔塞特还是个孩子的时候,他对任何能移动的东西都感兴趣——汽车、火车、动物。他把马达放在小玩具汽车上,以让它们移动。后来,在高中时,他制造了类似于小型汽车的移动机器人。

为了继续从事机器人研究工作,乔塞特在大学里学习计算机科学。但当他在帕萨迪纳的加州理工学院读研究生时,乔塞特发现同事们正在研究比遥控汽车更酷的东西——机器蛇。有些机器人只能向前、向后或左右移动。但是蛇形机器人可以扭曲着前往不同的方向,并且可以在许多不同的地形上前行。乔塞特总结道:“机器蛇比汽车有趣得多。”

乔塞特及其团队研发的机器蛇

图1:乔塞特及其团队研发的机器蛇,它可向不同的方向扭曲前行。这些蛇形机器人可以滚动向前,慢慢地爬上某人的腿,甚至还会游泳

开始在卡内基梅隆大学工作后,乔塞特和同事们开始开发他们自己的蛇形机器人。典型的蛇形机器人由金属容器互相连接起来的,每个部分都由马达和电子部件在里面。乔塞特的团队给蛇形机器人编程,让它像真正的蛇那样移动,比如滑行和缓慢前进。这种机器人也会以不属于蛇的方式移动,比如滚动。乔塞特的蛇形机器人可以爬过草地,在池塘里游泳,甚至爬上旗杆。

这些机器人还有另外一个特点:它们可以在狭小的空间中机动。乔塞特说:“蛇可以进入我们无法到达的地方,因此这种机器人也可以被用于挽救生命。”举例来说,在地震发生之后,蛇形机器人也许能够帮助人们发现被困在倒塌建筑物中的人。对于救援人员来说,搜查那些建筑物是非常危险和困难的。但是,在配备了摄像头的蛇形机器人的帮助下,救援人员可以在废墟的安全距离外搜寻幸存者。在搜救人员的帮助下,乔塞特在德克萨斯州名为“灾难之城”的救援人员培训基地测试了他的机器人。

但是乔塞特想知道,他的蛇形机器人是否在医学上也有用。对于有些心脏手术来说,医生必须打开病人的胸部,切开胸骨。而这些手术的恢复是非常痛苦的。如果医生可以通过在身体上开个小洞并发送细长的机器蛇来完成手术,结果会如何?乔塞特团队目前正与哈佛医学院的心脏外科医生马可·泽纳迪(Marco Zenati)合作研究这个想法。

泽纳迪在胸部的塑料模型上练习使用机器人,然后在猪身上测试机器人。他给猪注入麻醉剂,这样它们就不会有任何感觉。然后,他在猪的胸腔下面挖了一个小洞,插入了30厘米长的蛇型机器人的“头”。利用操纵杆,泽纳迪让机器人移动到猪的心脏后部。然后他通过机器人的身体将手术工具穿过,并用这个工具在动物的心脏上进行手术。波士顿一家名叫Medrobotics的公司现在正在为接受外科手术的患者调整该技术。

蛇形机器人甚至可以用来搜索古代文物。乔塞特正在探索将机器人送入埃及考古遗址的可能性,这些遗址以往太小或太过危险,人们无法进入。装有摄像头的蛇形机器人可以向科学家展示里面的东西,甚至可能找到人工制品。乔塞特表示:“即使在与团队合作了15年之后,在观察我们的蛇形机器人运动时,我仍然不会感到厌倦。”

追随领导者

纽约大学理工学院的机械工程师莫里吉奥·波菲力(Maurizio Porfiri)也在制造类似动物的机器人。但他有不同的目标,即帮助真正的动物。波菲力的团队制造出看起来像鱼的机器人。这些研究人员希望他们的机器有足够的说服力,让真正的鱼能够接受机器鱼作为他们群体的一部分。这样,机器人就可以把鱼从危险的地方引开,比如漏油区域。

波菲力及其团队设计并制造了模仿鱼的机器人

图2:波菲力及其团队设计并制造了模仿鱼的机器人

波菲力始终对动物很感兴趣。在他的成长过程中,他最喜欢的活动之一就是去动物园。但波菲力也喜欢在日本漫画中看到的机器人。所以当他开始创建自己的实验室时,决定将这两个兴趣结合起来。

科学家们已经知道,鱼类喜欢成群结队地游泳。鱼群的领导者会创造出尾迹,也就是在它们深厚留下混乱的水域。由于在另一条鱼的尾流中游泳所消耗的能量比单独游泳要少得多,因此许多鱼类会跟随领导者,并因此形成鱼群。为了弄清楚鱼是否会接受机器人的领导,波菲力的团队首先要建造鱼形机器人。它灵活的尾巴可以来回摆动,推动机器人向前。波菲力解释说,为了让真正的动物与这个装置互动,鱼需要看到些看起来像它们的东西,比如像它们一样游泳。

研究人员把鱼形机器人放在实验室的水渠里,让机器鱼的尾巴以不同的速度拍打水流。然后他们加入了真正的鱼,比如金光鱼,并测量了金光鱼待在鱼形机器人附近的时间。他们还观察,这条鱼是在机器鱼前面还是后面游动。如果机器鱼的尾巴没有摆动,金光鱼就没怎么注意它。但是当机器鱼的尾巴以一定的速度移动时,鱼就开始跟在它后面游动。波菲力认为鱼会跟随机器人游动,因为那会让它们更节省能量。?

不过,并不是所有的鱼都跟随机器鱼前进,波菲力的团队现在正试图找出原因。工程师们可能需要使用几个不同的机器人,每个机器人吸引或排斥不同的鱼,以吸引尽可能多的追随者。

波菲力的团队还在研制一种机器人潜水艇,用来帮助圈养的动物。带有螺旋桨的潜艇会伤害动物。因此,研究人员正在研制一种“安全”的潜艇,它的所有运动部件都在里面。水族馆的训练人员可以使用机器人潜水艇与海豹或海象等动物玩耍。例如,驯兽师可以把食物附在潜艇上,让动物“捕食”,就像它们在野外捕食猎物一样。

有性格的机器人

当玛雅·玛塔里克(Maja Matari?)上高中时,她曾编写一个计算机程序,可与某人“交谈”。用户可以在计算机中输入消息,程序随后会显示回复。现在,位于洛杉矶南加州大学的一名机器人专家正在领导名为“社会辅助机器人”的项目。这些设备可以说话、做手势,四处走动。

玛塔里克的团队正在设计一种机器人

图3:玛塔里克的团队正在设计一种机器人,可以帮助有沟通障碍的人练习社交技能

玛塔里克希望她的机器人帮助身患疾病或有身体残疾的人。例如,患有阿尔茨海默病的人会出现记忆和大脑功能问题,可能需要心理练习的帮助。中风后试图恢复手臂功能的人,可能需要鼓励来继续做有益的练习。可是,由于没有足够的人来提供所需的各种帮助,这就需要“技术介入”。

在一项研究中,玛塔里克团队测试了机器人帮助中风患者的恢复情况。中风通常是由于大脑中的血管破裂或血液凝结导致血液无法流向大脑所致,少量细胞在中风时死亡。所以后来的部分身体(像手臂),可能变得脆弱或麻木。病人必须不断地锻炼才能恢复功能。然而,这些练习可能是困难和不愉快的。

玛塔里克和她的同事为膝盖高的机器人编程,督促病人进行锻炼,然后监测病人的运动。如果这个人主动地使用他或她的手臂,机器人就会给出鼓励言辞。研究小组在6名中风患者身上测试了这个机器人。当机器人在场时,病人往往会比没有提示的情况下更久地进行锻炼,并遵循指令。

接下来,研究人员测试了机器人的性格是否影响了人们对它的反应。机器人可以直接靠近患者,大声说话,并做出有力的陈述,比如“你能做到!”其他时候,研究人员会让机器人以更害羞的方式行动。在这段时间里,机器人与患者保持着一定距离,温柔地提出一些建议,比如“我知道这很难,但记住这是为了你好。”?

在这项研究中,健康的成年人用他们较弱的手进行锻炼。这些任务与那些努力从中风中恢复过来的病人相似,比如移动铅笔或翻阅报纸。研究小组发现,当机器人的性格与自己相似时,人们就会更久地练习他们的任务。

玛塔里克还在研究帮助患有自闭症儿童的机器人。患有这些疾病的儿童在与人交流和互动方面存在困难,玛塔里克希望机器人能帮助这些孩子练习社交技巧。机器人比人更有优势的地方在于,它从不感到疲倦、沮丧或愤怒。

玛塔里克团队设计并编程了1米高的人形机器人Bandit,它可以制造噪音、四处移动以及吹泡泡。在一项研究中,研究人员观察了8个患有自闭症谱系障碍的儿童如何应对Bandit。有些孩子似乎喜欢这个装置,他们和机器人交谈,与它玩耍,并试图让机器跟着他们。其他孩子似乎对其感到不太舒服,也许是因为Bandit马达发出的声音。这些孩子远离机器人,靠近他们的父母或靠着墙待着。

玛塔里克团队正在致力于改善Bandit,以便机器人可以展示孩子好的反应或负面反应。例如,如果孩子躲在墙边,Bandit可能会退后,发出令人鼓舞的声音,或者干脆关掉马达。

玛塔里克、乔塞特以及波菲力只是今天许多致力于机器人研发的工程师之一。玛塔里克表示:”无论你是想创造出探索海洋的机器人,还是到外太空旅行、帮助老人或执行医疗程序的机器人,我们在这个领域所能做的事情几乎没有任何限制。”

 

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