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研發(fā)各式機(jī)器人及三種特殊機(jī)器人的介紹和應(yīng)用

網(wǎng)易科技訊5月3日消息，據(jù)Science News for Students報(bào)道，每當(dāng)提及機(jī)器人的時(shí)候，你可能會(huì)想到《機(jī)器人總動(dòng)員》（Wall-E）中的機(jī)器，它的設(shè)計(jì)是為了完成許多無(wú)聊的任務(wù)，比如壓縮垃圾。但如今的工程師們正在制造能做更多有趣工作的機(jī)器人，比如蛇形機(jī)器人將來(lái)可以在地震后尋找受害者，或者幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。水下機(jī)器人也許能夠帶領(lǐng)魚類遠(yuǎn)離環(huán)境災(zāi)難，人形機(jī)器人可以幫助患有疾病或身體殘疾的人。為這些機(jī)器人編程并制造它們是非常吸引人的工作。許多研究人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)器進(jìn)行修補(bǔ)，并編寫計(jì)算機(jī)軟件來(lái)控制它們。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的豪維·喬塞特（Howie Choset）說(shuō)：“它們是市面上最好的玩具?！眴倘厥莻€(gè)機(jī)器人專家，主要從事機(jī)器人設(shè)計(jì)、編程以及制造工作。神奇的蛇形機(jī)器人當(dāng)喬塞特還是個(gè)孩子的時(shí)候，他對(duì)任何能移動(dòng)的東西都感興趣——汽車、火車、動(dòng)物。他把馬達(dá)放在小玩具汽車上，以讓它們移動(dòng)。后來(lái)，在高中時(shí)，他制造了類似于小型汽車的移動(dòng)機(jī)器人。為了繼續(xù)從事機(jī)器人研究工作，喬塞特在大學(xué)里學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)。但當(dāng)他在帕薩迪納的加州理工學(xué)院讀研究生時(shí)，喬塞特發(fā)現(xiàn)同事們正在研究比遙控汽車更酷的東西——機(jī)器蛇。有些機(jī)器人只能向前、向后或左右移動(dòng)。但是蛇形機(jī)器人可以扭曲著前往不同的方向，并且可以在許多不同的地形上前行。喬塞特總結(jié)道：“機(jī)器蛇比汽車有趣得多。” 圖1：?jiǎn)倘丶捌鋱F(tuán)隊(duì)研發(fā)的機(jī)器蛇，它可向不同的方向扭曲前行。這些蛇形機(jī)器人可以滾動(dòng)向前，慢慢地爬上某人的腿，甚至還會(huì)游泳開始在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工作后，喬塞特和同事們開始開發(fā)他們自己的蛇形機(jī)器人。典型的蛇形機(jī)器人由金屬容器互相連接起來(lái)的，每個(gè)部分都由馬達(dá)和電子部件在里面。喬塞特的團(tuán)隊(duì)給蛇形機(jī)器人編程，讓它像真正的蛇那樣移動(dòng)，比如滑行和緩慢前進(jìn)。這種機(jī)器人也會(huì)以不屬于蛇的方式移動(dòng)，比如滾動(dòng)。喬塞特的蛇形機(jī)器人可以爬過(guò)草地，在池塘里游泳，甚至爬上旗桿。這些機(jī)器人還有另外一個(gè)特點(diǎn)：它們可以在狹小的空間中機(jī)動(dòng)。喬塞特說(shuō)：“蛇可以進(jìn)入我們無(wú)法到達(dá)的地方，因此這種機(jī)器人也可以被用于挽救生命?！迸e例來(lái)說(shuō)，在地震發(fā)生之后，蛇形機(jī)器人也許能夠幫助人們發(fā)現(xiàn)被困在倒塌建筑物中的人。對(duì)于救援人員來(lái)說(shuō)，搜查那些建筑物是非常危險(xiǎn)和困難的。但是，在配備了攝像頭的蛇形機(jī)器人的幫助下，救援人員可以在廢墟的安全距離外搜尋幸存者。在搜救人員的幫助下，喬塞特在德克薩斯州名為“災(zāi)難之城”的救援人員培訓(xùn)基地測(cè)試了他的機(jī)器人。但是喬塞特想知道，他的蛇形機(jī)器人是否在醫(yī)學(xué)上也有用。對(duì)于有些心臟手術(shù)來(lái)說(shuō)，醫(yī)生必須打開病人的胸部，切開胸骨。而這些手術(shù)的恢復(fù)是非常痛苦的。如果醫(yī)生可以通過(guò)在身體上開個(gè)小洞并發(fā)送細(xì)長(zhǎng)的機(jī)器蛇來(lái)完成手術(shù)，結(jié)果會(huì)如何？喬塞特團(tuán)隊(duì)目前正與哈佛醫(yī)學(xué)院的心臟外科醫(yī)生馬可·澤納迪（Marco Zenati）合作研究這個(gè)想法。澤納迪在胸部的塑料模型上練習(xí)使用機(jī)器人，然后在豬身上測(cè)試機(jī)器人。他給豬注入麻醉劑，這樣它們就不會(huì)有任何感覺。然后，他在豬的胸腔下面挖了一個(gè)小洞，插入了30厘米長(zhǎng)的蛇型機(jī)器人的“頭”。利用操縱桿，澤納迪讓機(jī)器人移動(dòng)到豬的心臟后部。然后他通過(guò)機(jī)器人的身體將手術(shù)工具穿過(guò)，并用這個(gè)工具在動(dòng)物的心臟上進(jìn)行手術(shù)。波士頓一家名叫Medrobotics的公司現(xiàn)在正在為接受外科手術(shù)的患者調(diào)整該技術(shù)。蛇形機(jī)器人甚至可以用來(lái)搜索古代文物。喬塞特正在探索將機(jī)器人送入埃及考古遺址的可能性，這些遺址以往太小或太過(guò)危險(xiǎn)，人們無(wú)法進(jìn)入。裝有攝像頭的蛇形機(jī)器人可以向科學(xué)家展示里面的東西，甚至可能找到人工制品。喬塞特表示：“即使在與團(tuán)隊(duì)合作了15年之后，在觀察我們的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，我仍然不會(huì)感到厭倦?！? 追隨領(lǐng)導(dǎo)者紐約大學(xué)理工學(xué)院的機(jī)械工程師莫里吉奧·波菲力（Maurizio Porfiri）也在制造類似動(dòng)物的機(jī)器人。但他有不同的目標(biāo)，即幫助真正的動(dòng)物。波菲力的團(tuán)隊(duì)制造出看起來(lái)像魚的機(jī)器人。這些研究人員希望他們的機(jī)器有足夠的說(shuō)服力，讓真正的魚能夠接受機(jī)器魚作為他們?nèi)后w的一部分。這樣，機(jī)器人就可以把魚從危險(xiǎn)的地方引開，比如漏油區(qū)域。圖2：波菲力及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了模仿魚的機(jī)器人波菲力始終對(duì)動(dòng)物很感興趣。在他的成長(zhǎng)過(guò)程中，他最喜歡的活動(dòng)之一就是去動(dòng)物園。但波菲力也喜歡在日本漫畫中看到的機(jī)器人。所以當(dāng)他開始創(chuàng)建自己的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，決定將這兩個(gè)興趣結(jié)合起來(lái)。科學(xué)家們已經(jīng)知道，魚類喜歡成群結(jié)隊(duì)地游泳。魚群的領(lǐng)導(dǎo)者會(huì)創(chuàng)造出尾跡，也就是在它們深厚留下混亂的水域。由于在另一條魚的尾流中游泳所消耗的能量比單獨(dú)游泳要少得多，因此許多魚類會(huì)跟隨領(lǐng)導(dǎo)者，并因此形成魚群。為了弄清楚魚是否會(huì)接受機(jī)器人的領(lǐng)導(dǎo)，波菲力的團(tuán)隊(duì)首先要建造魚形機(jī)器人。它靈活的尾巴可以來(lái)回?cái)[動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器人向前。波菲力解釋說(shuō)，為了讓真正的動(dòng)物與這個(gè)裝置互動(dòng)，魚需要看到些看起來(lái)像它們的東西，比如像它們一樣游泳。研究人員把魚形機(jī)器人放在實(shí)驗(yàn)室的水渠里，讓機(jī)器魚的尾巴以不同的速度拍打水流。然后他們加入了真正的魚，比如金光魚，并測(cè)量了金光魚待在魚形機(jī)器人附近的時(shí)間。他們還觀察，這條魚是在機(jī)器魚前面還是后面游動(dòng)。如果機(jī)器魚的尾巴沒有擺動(dòng)，金光魚就沒怎么注意它。但是當(dāng)機(jī)器魚的尾巴以一定的速度移動(dòng)時(shí)，魚就開始跟在它后面游動(dòng)。波菲力認(rèn)為魚會(huì)跟隨機(jī)器人游動(dòng)，因?yàn)槟菚?huì)讓它們更節(jié)省能量。? 不過(guò)，并不是所有的魚都跟隨機(jī)器魚前進(jìn)，波菲力的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正試圖找出原因。工程師們可能需要使用幾個(gè)不同的機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人吸引或排斥不同的魚，以吸引盡可能多的追隨者。波菲力的團(tuán)隊(duì)還在研制一種機(jī)器人潛水艇，用來(lái)幫助圈養(yǎng)的動(dòng)物。帶有螺旋槳的潛艇會(huì)傷害動(dòng)物。因此，研究人員正在研制一種“安全”的潛艇，它的所有運(yùn)動(dòng)部件都在里面。水族館的訓(xùn)練人員可以使用機(jī)器人潛水艇與海豹或海象等動(dòng)物玩耍。例如，馴獸師可以把食物附在潛艇上，讓動(dòng)物“捕食”，就像它們?cè)谝巴獠妒倡C物一樣。有性格的機(jī)器人當(dāng)瑪雅·瑪塔里克（Maja Matari?）上高中時(shí)，她曾編寫一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，可與某人“交談”。用戶可以在計(jì)算機(jī)中輸入消息，程序隨后會(huì)顯示回復(fù)。現(xiàn)在，位于洛杉磯南加州大學(xué)的一名機(jī)器人專家正在領(lǐng)導(dǎo)名為“社會(huì)輔助機(jī)器人”的項(xiàng)目。這些設(shè)備可以說(shuō)話、做手勢(shì)，四處走動(dòng)。圖3：瑪塔里克的團(tuán)隊(duì)正在設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，可以幫助有溝通障礙的人練習(xí)社交技能瑪塔里克希望她的機(jī)器人幫助身患疾病或有身體殘疾的人。例如，患有阿爾茨海默病的人會(huì)出現(xiàn)記憶和大腦功能問(wèn)題，可能需要心理練習(xí)的幫助。中風(fēng)后試圖恢復(fù)手臂功能的人，可能需要鼓勵(lì)來(lái)繼續(xù)做有益的練習(xí)。可是，由于沒有足夠的人來(lái)提供所需的各種幫助，這就需要“技術(shù)介入”。在一項(xiàng)研究中，瑪塔里克團(tuán)隊(duì)測(cè)試了機(jī)器人幫助中風(fēng)患者的恢復(fù)情況。中風(fēng)通常是由于大腦中的血管破裂或血液凝結(jié)導(dǎo)致血液無(wú)法流向大腦所致，少量細(xì)胞在中風(fēng)時(shí)死亡。所以后來(lái)的部分身體（像手臂），可能變得脆弱或麻木。病人必須不斷地鍛煉才能恢復(fù)功能。然而，這些練習(xí)可能是困難和不愉快的。瑪塔里克和她的同事為膝蓋高的機(jī)器人編程，督促病人進(jìn)行鍛煉，然后監(jiān)測(cè)病人的運(yùn)動(dòng)。如果這個(gè)人主動(dòng)地使用他或她的手臂，機(jī)器人就會(huì)給出鼓勵(lì)言辭。研究小組在6名中風(fēng)患者身上測(cè)試了這個(gè)機(jī)器人。當(dāng)機(jī)器人在場(chǎng)時(shí)，病人往往會(huì)比沒有提示的情況下更久地進(jìn)行鍛煉，并遵循指令。接下來(lái)，研究人員測(cè)試了機(jī)器人的性格是否影響了人們對(duì)它的反應(yīng)。機(jī)器人可以直接靠近患者，大聲說(shuō)話，并做出有力的陳述，比如“你能做到!”其他時(shí)候，研究人員會(huì)讓機(jī)器人以更害羞的方式行動(dòng)。在這段時(shí)間里，機(jī)器人與患者保持著一定距離，溫柔地提出一些建議，比如“我知道這很難，但記住這是為了你好?！? 在這項(xiàng)研究中，健康的成年人用他們較弱的手進(jìn)行鍛煉。這些任務(wù)與那些努力從中風(fēng)中恢復(fù)過(guò)來(lái)的病人相似，比如移動(dòng)鉛筆或翻閱報(bào)紙。研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人的性格與自己相似時(shí)，人們就會(huì)更久地練習(xí)他們的任務(wù)。瑪塔里克還在研究幫助患有自閉癥兒童的機(jī)器人?；加羞@些疾病的兒童在與人交流和互動(dòng)方面存在困難，瑪塔里克希望機(jī)器人能幫助這些孩子練習(xí)社交技巧。機(jī)器人比人更有優(yōu)勢(shì)的地方在于，它從不感到疲倦、沮喪或憤怒。瑪塔里克團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并編程了1米高的人形機(jī)器人Bandit，它可以制造噪音、四處移動(dòng)以及吹泡泡。在一項(xiàng)研究中，研究人員觀察了8個(gè)患有自閉癥譜系障礙的兒童如何應(yīng)對(duì)Bandit。有些孩子似乎喜歡這個(gè)裝置，他們和機(jī)器人交談，與它玩耍，并試圖讓機(jī)器跟著他們。其他孩子似乎對(duì)其感到不太舒服，也許是因?yàn)锽andit馬達(dá)發(fā)出的聲音。這些孩子遠(yuǎn)離機(jī)器人，靠近他們的父母或靠著墻待著。瑪塔里克團(tuán)隊(duì)正在致力于改善Bandit，以便機(jī)器人可以展示孩子好的反應(yīng)或負(fù)面反應(yīng)。例如，如果孩子躲在墻邊，Bandit可能會(huì)退后，發(fā)出令人鼓舞的聲音，或者干脆關(guān)掉馬達(dá)。瑪塔里克、喬塞特以及波菲力只是今天許多致力于機(jī)器人研發(fā)的工程師之一?，斔锟吮硎荆骸睙o(wú)論你是想創(chuàng)造出探索海洋的機(jī)器人，還是到外太空旅行、幫助老人或執(zhí)行醫(yī)療程序的機(jī)器人，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域所能做的事情幾乎沒有任何限制。

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