R2-D2(左)和C-3PO出席2015年在加州好萊塢舉行的《星球大戰(zhàn)：原力覺醒》首映禮。對于許多人來說，這兩個數(shù)字代表了機器人的樣子。

　　在最基本的層面上，人類由五個主要組成部分組成：

　　身體結構

　　一個 肌肉系統(tǒng) 移動車身結構

　　接收有關身體和周圍環(huán)境信息的感覺系統(tǒng)

　　激活肌肉和傳感器的動力源

　　一個 大腦系統(tǒng) 處理感官信息并告訴肌肉該做什么

　　當然，我們也有一些無形的屬性，比如智力和道德，但在純粹的物理層面上，上面的列表涵蓋了它。

　　機器人由完全相同的組件組成。一個基本的典型機器人具有可移動的物理結構，即 發(fā)動機 某種意義上的，一個傳感器系統(tǒng)，一個電源和一個控制所有這些元素的計算機“大腦”。從本質上講，機器人是動物生活的人造版本——它們是復制人類和動物行為的機器。

　　約瑟夫·英格爾伯格，工業(yè)機器人的先驅， 曾經說過，“我不知道如何定義一個，但當我看到一個時，我就知道一個!” 如果你考慮人們稱之為機器人的所有不同機器，你可以看到幾乎不可能提出一個全面的定義。每個人對機器人的構成都有不同的想法。

　　您可能聽說過其中幾個著名的機器人：

　　R2-D2 和 C-3PO：《星球大戰(zhàn)》電影中充滿個性的智能、會說話的機器人

　　索尼的 愛博：通過人類互動學習的機器狗

　　本田的 阿西莫：可以像人一樣用兩條腿走路的機器人

　　工業(yè)機器人：在裝配線上工作的自動化機器

　　中校數(shù)據：《星際迷航》中近乎人類的機器人

　　戰(zhàn)斗機器人：長期播出的電視節(jié)目中的遙控戰(zhàn)斗機

　　拆彈機器人

　　美國宇航局的火星探測器

　　哈爾：該 船舶計算機 在斯坦利·庫布里克的《2001：太空漫游》中

　　魯姆巴： 吸塵機器人 來自 iRobot

　　機器人 參演電視劇《迷失太空》

　　頭腦風暴: 樂高 流行的機器人套件

　　所有這些東西都被認為是機器人，至少被一些人認為是這樣。但你可以說，大多數(shù)人將機器人定義為他們所認為的機器人。大多數(shù)機器人專家(制造機器人的人)使用更精確的定義。他們指定機器人有一個可重新編程的大腦(計算機)來移動身體。

　　根據這個定義，機器人與其他可移動機器(如拖拉機拖車)不同，因為它們具有計算機元素。即使考慮到復雜的車載電子設備，駕駛員也通過各種機械設備直接控制大多數(shù)元件。機器人在物理性質上與普通計算機不同——普通計算機沒有附著的物理身體。

　　在下一節(jié)中，我們將介紹當今大多數(shù)機器人中發(fā)現(xiàn)的主要元素。

　　機器人基礎知識

　　2022 年消費電子展 (CES) 的一位與會者將一根手指放在 Yukai 工程公司的 Amagami Ham Ham(一個咬人的貓機器人)的嘴里。 帕特里克·T·法倫/法新社通過蓋蒂圖片社

　　大多數(shù)機器人都有可移動的身體。有些只有電動輪，有些則有幾十個可移動的段，通常由金屬或塑料制成。就像你身體的骨骼一樣，各個部分連接在一起 關節(jié).

　　機器人旋轉輪子和樞軸連接段 某種 驅動器.一些機器人使用 電動機 和 螺線管 作為執(zhí)行器;有些使用 液壓系統(tǒng);有些使用氣動系統(tǒng)(由壓縮氣體驅動的系統(tǒng))。機器人可以使用所有這些執(zhí)行器類型的組合。

　　機器人需要一個電源來驅動這些執(zhí)行器。大多數(shù)機器人都有 電池 或插入墻壁。 有些可能會使用 太陽能或燃料電池。液壓機器人還需要一個泵來加壓液壓油，氣動機器人需要一個空氣壓縮機或壓縮空氣罐。

　　執(zhí)行器全部連接到 電路.電路直接為電動機和電磁閥供電，并通過操縱電氣來激活液壓系統(tǒng) 閥.閥門確定加壓流體通過機器的路徑。例如，為了移動液壓腿，機器人的控制器將打開從流體泵到流體泵的閥門 活塞氣缸 附在那條腿上。加壓流體將伸出活塞，使腿向前旋轉。通常，為了在兩個方向上移動它們的段，機器人使用可以雙向推動的活塞。

　　機器人的計算機控制連接到電路的所有東西。為了移動機器人，計算機打開所有必要的電機和閥門。許多機器人是 可重新編程 — 要更改機器人的行為，您需要更新或更改為機器人提供指令的軟件。

　　并非所有機器人都有感官系統(tǒng)，很少有人能看到、聽到、聞到。 或味道.最常見的機器人感官是運動感——機器人監(jiān)控自身運動的能力。一種方法是使用機器人底部的激光照亮地板，同時攝像頭測量行進的距離和速度。這與 中使用的基本系統(tǒng)相同 電腦鼠標.Roomba 吸塵器 使用紅外光 檢測其路徑中的物體，光電電池測量光的變化。

　　這些是機器人的基本細節(jié)。機器人專家可以以無數(shù)種方式組合這些元素，創(chuàng)造出無限復雜的機器人。

　　機械臂

　　11月，機械臂在智能車間生產洗碗機。 2021年12日，中國安徽省合肥市。 陳三虎/VCG通過蓋蒂圖片社

　　機器人一詞來自 捷克語單詞 機器人，一般翻譯為“強迫勞動”。 這很好地描述了大多數(shù)機器人。世界上大多數(shù)機器人都是為繁重、重復的制造工作而設計的。他們處理對人類來說困難、危險或無聊的任務。

　　例如， 機械臂 經常用于制造角色。典型的機械臂由七個金屬段組成，由六個關節(jié)連接。計算機通過旋轉單個來控制機器人 步進電機 連接到每個關節(jié)(一些較大的臂使用液壓或氣動)。與普通電機不同，步進電機 以精確的增量移動.這允許計算機非常精確地移動手臂，一遍又一遍地執(zhí)行相同的運動。機器人使用運動傳感器來確保它移動恰到好處的量。

　　具有六個關節(jié)的工業(yè)機器人與人類手臂非常相似 - 它相當于肩膀，肘部和手腕。通常，肩部安裝在固定的基礎結構上，而不是安裝在可移動的主體上。這種類型的機器人有六個 自由度，這意味著它可以以六種不同的方式旋轉。相比之下，人類的手臂有七個自由度。

　　手臂的工作是將手從一個地方移動到另一個地方。同樣，機械臂的工作是移動 末端執(zhí)行器 從一個地方到另一個地方。您可以為機械臂配備各種適合特定應用的末端執(zhí)行器。一種常見的末端執(zhí)行器是手的簡化版本，它可以抓取和攜帶不同的物體。機器人手通常具有內置 壓力傳感器 告訴計算機機器人抓取特定物體的力度。這可以防止機器人掉落或破壞它攜帶的任何東西。其他末端執(zhí)行器包括噴燈、鉆頭和噴漆器。

　　工業(yè)機器人被設計成做同樣的事情。例如，機器人可能會將蓋子擰到流水線上的花生醬罐上。為了教機器人如何完成工作，程序員使用手持控制器引導手臂完成動作。機器人將確切的運動順序存儲在其內存中，并在每次有新單元下線時再次執(zhí)行。

　　大多數(shù)工業(yè)機器人在汽車裝配線上工作，將汽車組裝在一起。機器人可以比人類更有效地完成很多工作，因為它們非常精確。他們總是在同一個地方鉆孔，無論他們工作了多少小時，他們總是以相同的力擰緊螺栓。制造機器人在計算機行業(yè)中也非常重要。它需要非常精確的手來組裝一個微小的微芯片。

　　您可能會發(fā)現(xiàn)機器人與建筑工人一起工作， 抹灰墻 比人類更準確、更快。 機器人輔助 在水下探索中。 外科醫(yī)生使用機器人 處理精細的手術。 他們甚至處理 在廚房里翻轉漢堡。這些機器人都有一種機械臂的形式。

　　機械臂在太空探索中很重要。 美國宇航局使用手臂 有七個自由度——就像我們自己的手臂一樣——來捕獲維修設備或抓住小行星。7英尺(2米)的機器人 毅力號火星車上的手臂 在探索火星表面時使用幾種特殊工具。相機幫助科學家看到正在發(fā)生的事情來引導手臂。還有一個用于研磨巖石樣品的磨損工具，取芯鉆可以收集樣品以 儲存在金屬管中 它落在地表，以便在未來的任務中返回地球。X射線 名為 PIXL 的設備 (X射線石化行星儀器的縮寫)有一個六足位移臺，有六個小機械腿，用于調整X射線以獲得最佳角度。

　　使用拉曼和發(fā)光掃描可居住環(huán)境，用于有機物和化學品(又名夏洛克數(shù)據庫) 識別礦物 順便說一下，光線從他們身上散射。用于操作和eNgineering的廣角地形傳感器(又名 - 你猜對了 - 沃森)然后為地球上的科學家拍攝特寫照片。他們使用這兩個設備來創(chuàng)建紅色星球表面的礦物圖。

　　關于機器人的文章

　　捷克劇作家卡雷爾·恰佩克(Karel Capek)開創(chuàng)了這個詞 機器人 在他1920年的戲劇“R.U.R.”中。 在劇中，當科學家賦予他們情感時，機器工人推翻了他們的人類創(chuàng)造者。多年來，數(shù)十位作家和電影制作人重新審視了這種情況。艾薩克·阿西莫夫(Isaac Asimov)在幾部小說和短篇小說中采取了更為樂觀的觀點。在他的作品中，機器人是良性的、樂于助人的生物，它們被編程為遵守對人類的非暴力準則—— “機器人法則?！?/span>

　　波士頓動力公司的機器狗 Spot 在拉斯維加斯舉行的全球最大的年度消費技術貿易展 CES 2022 上展出。 TAYFUN COSKUN/ANADOLU AGENCY通過GETTY IMAGES

　　機械臂相對容易構建和編程，因為它們只能在有限的區(qū)域內運行。當你把一個機器人送到這個世界時，事情會變得更加棘手。

　　首先，機器人需要一個有效的運動系統(tǒng)。如果機器人只需要在光滑的地面上移動，輪子通常是最佳選擇。車輪和履帶也可以在崎嶇的地形上工作。但機器人設計師通常會關注腿，因為它們的適應性更強。建造有腿機器人也有助于研究人員了解自然運動——這是一項有用的練習。 在生物學研究中.

　　通常，液壓或氣動活塞移動機器人腿?；钊B接到不同的腿段，就像 肌肉 附著在不同的骨骼上。讓所有這些活塞正常工作是一個真正的技巧。作為一個嬰兒，你的大腦必須弄清楚肌肉收縮的正確組合，才能直立行走而不會摔倒。同樣，機器人設計師必須找出行走中涉及的活塞運動的正確組合，并將這些信息編程到機器人的計算機中。許多移動機器人都有內置的 平衡系統(tǒng) (集合 陀螺，例如)，告訴計算機何時需要糾正其運動。

　　設計師通常從動物世界中尋找機器人運動的想法。六足昆蟲的平衡性非常好，并且 他們適應得很好 到各種各樣的地形。四足機器人，如波士頓動力公司的Spot。 看起來像狗，以及相似性 品種比較 當他們從事危險的工作時 如施工檢查.兩條腿的機器人很難正確平衡，但人類通過練習變得更好。波士頓動力公司的地圖集 甚至可以做跑酷.

　　空中機器人也受到現(xiàn)實世界示例的啟發(fā)。盡管許多人使用機翼，就像我們在飛機上看到的那樣，但研究人員也開發(fā)了使用 類似飛翼的軟致動器.現(xiàn)在大多數(shù)人都熟悉螺旋槳動力無人機，它可以為娛樂、體育賽事和監(jiān)控提供令人驚嘆的相機拍攝。其中一些懸停機器人也可以聯(lián)網在一起，以創(chuàng)建成群的機器人，例如在 東京夏季奧運會 在 2021 年。

　　在水下，機器人可能會穿過海底。一個例子是銀牌2， 一個像螃蟹一樣的機器人 旨在查找和清理塑料垃圾。這 底棲漫游者二號 改用胎面。蛇形機器人，當然，它們的名字來自它們復制運動的動物， 可以在水下操作 在陸地上。它們甚至在人體中工作得很好，他們可以 進行手術修復.

　　一些移動機器人由遙控器控制——人類告訴他們該做什么以及何時做。遙控器可以通過連接的電線與機器人通信，或者使用 收音機 或 紅外信號.遠程機器人可用于探索危險或難以進入的環(huán)境，例如深海或內部 火山.一些機器人僅部分由遙控器控制。例如，操作員可能會指示機器人去某個地方，但機器人不是在那里引導它，而是找到自己的路。

　　移動機器人的用途

　　移動機器人以多種方式代替人類。有些人探索地球上的其他行星或荒涼地區(qū)，收集地質樣本。其他人尋找 地雷 在以前的戰(zhàn)場上。警方有時會使用移動機器人來搜索炸彈，甚至逮捕嫌疑人。移動機器人也適用于家庭和企業(yè)。醫(yī)院可能會使用機器人來運輸藥物。一些博物館使用機器人在夜間巡邏他們的畫廊，監(jiān)測空氣質量和濕度水平。

　　自主機器人

　　約翰迪爾 8R 全自動拖拉機將于 2022 年 1 月 4 日在拉斯維加斯舉行的 CES 之前展出。約翰迪爾和農業(yè)機器人初創(chuàng)公司Naio結合了流行的8R拖拉機，犁，GPS和360度攝像頭，創(chuàng)造了農民可以通過智能手機控制的機器。 帕特里克·T·法倫/法新社通過蓋蒂圖片社

　　自主機器人 自行行動。人類對機器人進行編程，使其對外部刺激做出反應。非常簡單 碰撞機器人 很好地說明了它是如何工作的。

　　這種機器人有一個保險杠傳感器來檢測障礙物。當您打開機器人時，它會沿直線滑動。當它最終撞到障礙物時，撞擊會觸發(fā)其保險杠傳感器。機器人的編程告訴它后退，向右轉并再次向前移動，以響應每一次顛簸。這樣，機器人在遇到障礙物時隨時都會改變方向。

　　一些自主機器人只能在熟悉的受限環(huán)境中工作。例如，割草機器人依靠埋藏的邊界標記來定義院子的界限。辦公室清潔機器人可能需要建筑物的地圖，以便從一個點到另一個點進行機動。亞馬遜的倉庫機器人 使用彩色磁帶 在倉庫地板上幫助他們導航。除其他工作外，在線零售商還使用機器人將物品交付給人類，讓他們的員工專注于包裝訂單，而不是搜索倉庫貨架。

　　移動機器人通常使用紅外或超聲波傳感器來觀察障礙物。這些傳感器的工作方式與 動物回聲定位：機器人發(fā)出聲音信號或一束紅外光，并檢測信號的反射。機器人根據信號反彈所需的時間來定位到障礙物的距離。更復雜的機器人可能配備光檢測和測距(lidar)設備，該設備使用光而不是聲音來幫助機器人 確定其位置 在其環(huán)境中。

　　甚至是現(xiàn)成的機器人吸塵器 使用多種方法 在你的客廳里找到他們的路。除了碰撞傳感器，他們還有懸崖傳感器(它即將掉下來嗎?)，墻壁傳感器(前面是什么?)和光學編碼器(它走了多遠?)。以這種方式使用多個傳感器創(chuàng)建地圖稱為 同步定位和映射 (SLAM).

　　一些機器人使用 立體視覺 看看他們周圍的世界。兩個攝像頭為這些機器人提供深度感知，圖像識別軟件使它們能夠定位和分類各種物體。機器人也可能使用 麥克風 和 氣味 傳感器來分析周圍的世界。波士頓動力公司的Spot狗狀機器人配備了360度全景相機，但該公司還提供平移 - 傾斜 - 變焦和紅外輻射相機。這使美國海軍陸戰(zhàn)隊能夠測試機器人的能力。 環(huán)顧四周 在冒險進入開闊地帶之前找到敵人。

　　更先進的機器人 分析和調整 到不熟悉的環(huán)境，甚至到地形崎嶇的地區(qū)。這些機器人可以將某些地形模式與某些動作相關聯(lián)。例如，漫游車機器人可能會根據其視覺傳感器構建其前方土地的地圖。如果地圖顯示一個非常顛簸的地形模式，機器人知道要走另一條路。美國宇航局的毅力號火星車就是一個例子。

　　跟隨機器人 從觀察中學習。自主農業(yè) 機器人制造商Burro 使用攝像頭和GPS的組合來四處走動，但機器人的人工智能系統(tǒng)通過跟隨人類來學習它的工作。比亞喬快進的吉塔機器人 跟隨他們的人類領袖 同時攜帶他們的東西。該設備甚至可以在您騎自行車時尾隨您。它的最高速度為每小時 35 英里(每小時 56 公里)。

　　自制機器人

　　在最后幾節(jié)中，我們研究了機器人世界中最突出的領域——工業(yè)機器人和研究機器人。多年來，這些領域的專業(yè)人士在機器人技術方面取得了大部分重大進展，但他們并不是唯一制造機器人的人。幾十年來，一小群充滿激情的業(yè)余愛好者一直在世界各地的車庫和地下室創(chuàng)造機器人。

　　自制機器人是一種快速擴張的亞文化，擁有相當大的網絡存在。業(yè)余機器人專家可以使用手頭的任何東西(例如舊玩具)將他們的作品拼湊在一起， 錄像機 和其他隨機剩余的小工具，但制造商運動 讓它變得容易 尋找組件，分享想法并教育他人有關DIY電子產品的知識。

　　機器人只是創(chuàng)客運動的一部分，但許多DIY工具可用于廣泛的應用。廉價的單板計算機足夠強大，可以進行更復雜的項目。像這樣的網站 可指導材料 和 Thingiverse 讓制作者彼此共享計劃。學校、大學、圖書館甚至 在社區(qū) 讓人們在創(chuàng)作自己的作品時借用工具并相互學習。許多都有3D打印機可用于根據您的自定義規(guī)格打印機器人零件。

　　自制機器人與專業(yè)機器人一樣多種多樣。一些周末機器人專家修補精心設計的步行機器，一些設計自己的服務機器人，另一些人創(chuàng)造有競爭力的機器人。最熟悉的競技機器人是遙控戰(zhàn)斗機，就像你可能在”戰(zhàn)斗機器人有些人可能不認為戰(zhàn)斗機器人是“真正的機器人”，因為它們沒有可重新編程的計算機大腦。他們基本上是加了 遙控車.

　　更先進的競技機器人由計算機控制。例如，足球機器人， 踢足球 完全沒有人工輸入。一個標準的足球機器人團隊包括幾個與中央計算機通信的單獨機器人。計算機“看到”整個足球場 攝像機 并根據自己的顏色識別自己的團隊成員、對手的成員、球和球門。計算機使用此信息來決定如何指導其團隊。

　　日常生活，就像計算機在1980年代傳播到家庭一樣。

　　機器人和人工智能

　　人形機器人Ameca (使用人工智能)于 2022 年 1 月 5 日在拉斯維加斯舉行的 CES 上進行了演示。Ameca 被設計為人機交互的研究平臺。 伊?！っ桌?蓋蒂圖片社

　　人工智能 (AI)可以說是機器人技術中最令人興奮的領域。這當然是最有爭議的：每個人都同意機器人可以在裝配線上工作，但對于機器人是否可以智能還沒有達成共識。

　　就像“機器人”一詞本身一樣，人工智能很難定義。最終 .AI 將是人類思維過程的再現(xiàn)——一臺具有我們智力的人造機器。這將包括學習任何東西的能力，推理能力，使用語言的能力以及形成原創(chuàng)想法的能力。機器人專家遠未達到這種人工智能水平，但他們在更有限的人工智能方面取得了很大進展。今天的人工智能機器可以復制智力的一些特定元素。

　　計算機已經可以在有限的領域解決問題。人工智能解決問題的基本思想很簡單，盡管它的執(zhí)行很復雜。首先，人工智能機器人或計算機通過傳感器或人工輸入收集有關情況的事實。計算機將此信息與存儲的數(shù)據進行比較，并決定信息的含義。計算機運行各種可能的操作，并根據收集的信息預測哪個操作最成功。在大多數(shù)情況下，計算機只能解決它被編程解決的問題——它沒有任何通用的分析能力。 國際象棋計算機 是這種機器的一個例子。

　　一些現(xiàn)代機器人也可以在有限的能力下學習。學習機器人識別某個動作(例如以某種方式移動它的腿)是否達到了預期的結果(導航障礙物)。機器人存儲此信息，并在下次遇到相同情況時嘗試成功操作。機器人吸塵器學習房間的布局，但它們是為吸塵而建造的，沒有別的。

　　一些機器人可以 社交互動. 命運，1998年創(chuàng)建的機器人 麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室 (CSAIL)，識別人類肢體語言和語音變化并做出適當?shù)姆磻?。從那時起，交互式機器人已經商業(yè)化，有些被用作老年人的伴侶。雖然機器人有助于清潔和移動輔助，但增加交互性會有所幫助 減少老年人的社會孤立.

　　人工智能的真正挑戰(zhàn)是了解自然程度 情報 工程。開發(fā)人工智能并不像建造人造心臟——科學家沒有一個簡單、具體的模型可供使用。我們確實知道 腦 包含數(shù)十億個神經元，我們通過在不同神經元之間建立電連接來思考和學習。但我們并不確切知道所有這些聯(lián)系是如何加起來的，甚至是低層次的推理。復雜的電路似乎難以理解。

　　正因為如此，人工智能研究在很大程度上是理論性的?？茖W家們假設我們如何以及為什么學習和思考，他們用機器人來試驗他們的想法。麻省理工學院CSAIL的研究人員專注于人形機器人，因為他們覺得能夠像人類一樣體驗世界 是必不可少的 發(fā)展類似人類的智能。它還使人們更容易與機器人互動，這可能會使機器人更容易學習。

　　正如物理機器人設計是理解動物和人體解剖學的便捷工具一樣，人工智能研究對于理解自然智能的工作原理也很有用。對于一些機器人專家來說，這種洞察力是設計機器人的最終目標。其他人則設想了一個世界，我們與智能機器并肩生活，并使用各種較小的機器人進行體力勞動，醫(yī)療保健和通信。一些 機器人專家預測 機器人的進化最終將把我們變成半機械人——人類與機器的整合?？梢韵胂螅磥淼娜藗兛梢詫⑺麄兊乃枷胙b入一個堅固的機器人中，并活上數(shù)千年!

　　無論如何，機器人在未來的日常生活中肯定會發(fā)揮更大的作用。在接下來的幾十年里，機器人將逐漸走出工業(yè)和科學世界，進入日常生活，就像計算機在1980年代傳播到家庭一樣。