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从车间走到服务,美国40年的机器人发展之路2020-05-11


从车间走到服务,美国40年的机器人发展之路


近年来美国波士顿动力机器人在国际社会频频出彩,这背后离不开美国的机器人研究和创新支持。那美国是如何一步步实现机器人研究与创新的?这不得不说到美国国家科学基金会(NSF)。
 
NSF是美国独立的联邦机构,建立初衷旨在促进美国的科学进步,自国家科学基金会(NSF)成立以来,曾针对性对计算机和工程基础研究进行了支持,目前已经使计算机科学在美国得以长足发展,NSF的支持方向一度成为美国资本追逐的宠儿。机器人行业是NSF自计算机以来再一个看好的新产业动能,但其发展经历了非常长的过程。
 
在机器人行业,尽管美国在传感器,机器运动和计算机视觉方面进行了前置性早期投资,但直到1972年才算是美国真正意义上资助了第一笔明确带有“机器人”头衔的资助,这笔项目赞助达$ 39,300。当时这笔钱直接分配给到了德克萨斯大学奥斯汀分校的Laurent Siklossy,以进行机器人相关的实践问题解决,定理证明,新定理发现和机器人方向的指导以及探索。

1970年代:工厂车间机器人
 
到了在20世纪70年代中期,NSF把目光真正转向机器人,并逐渐开始在机器人技术发力。被归类为机器人技术的第一个研究项目是机械臂(如下图所示),该机械臂可以从包装箱中取出零件并进行视觉识别,并能对其进行正确重定向,为了方便在装配线上进行下一步操作,计算机控制的焊接机器人也同时被研发。这些由NSF资助的机器人项目旨在提高美国制造工艺的生产率,这一目标一直持续到今天,无数的商业公司为之在努力。
 
(由斯坦福研究所开发的这种机械臂图像类似于1976年NSF年度报告中出现的图像。机器人系统使用计算机视觉来识别和决策装配线上的零件。这是那个时代旨在提高美国制造工艺生产率的几个项目之一。图片来源:SRI International)
 
1980年代:步行机的兴起
 
1980年代,NSF资助开始变多,同时在方向上,正在探索的机器人类型和使用方式日益呈现多样化。在俄亥俄州立大学,电气工程师Robert McGhee和机械工程师Kenneth Waldron以及一支由60名成员组成的学生和技术助理团队,在美国国家科学基金会(NSF)和高级国防部的支持下,开发了自适应汽车悬挂机器人(ASV),被项目研究局(DARPA)称为“Walker”。
 
这个绰号“Walker”俄亥俄州立大学的自适应车辆悬架机器人(AVS),由电气工程师Robert McGhee和机械工程师Kenneth Waldron以及一支由60名成员组成的学生和技术助理团队共同开发,“ Walker”设计用于在崎岖,多山,冰冷或泥泞的地形上运输工业和军事用途的货物。
 

(Walker,图片来源:俄亥俄州立大学档案馆)
 
ASV长17英尺,宽8英尺,高10.5英尺,并有6条支脚支撑其三吨重的铝制车身。它旨在在崎岖、多山,冰冷或泥泞的地形上运输工业和军事用途的货物,并且能够穿越9英尺宽的沟渠或7英尺高的墙。
 
Walker使用前置雷达系统扫描前方地形,并将数据以及操作员操纵杆上的指令输入到16台车载计算机中,这些计算机协调并控制了ASV的腿部。电脑分别使每条腿上下,向前和向后移动,并且离ASV身体更近或更远,以实现笨拙但可维修的骑行。

1990年代:机器人探索新环境
 
不久之后,在NSF的支持下,研究人员开始开发一种针对非常不同的环境的机器人,水下环境得到了优先考虑。全向智能导航器(ODIN)就在这个时代应运而生,其于1991年首次制造,是一种球形的自主水下机器人,能够在所有六个方向上进行瞬时运动。
 
项目最初是作为实现远程操作机器人目的而立的,1995年将其升级为自动水下机器人ODIN II。直到如今,由美国国家科学基金会(NSF)资助开发的后继机器人哨兵(Sentry)还在深海中寻找和量化热液通量。
 

(ODIN,图源:夏威夷大学自治系统实验室)
 
在1990年代,机器人专家开始将注意力转移到机器人可以协助的日常任务上。例如,在匹兹堡大学,密歇根大学和卡内基梅隆大学的研究人员就尝试开发了一系列移动式个人服务机器人,这些研究方向得到了赞助,例如Nursebot就在当时诞生,其最初的目的是帮助老年人日常生活。
 
这个“生活”在一个慢性病老人家中的自动移动机器人可以提醒其主人吃药,与医生进行视频会议,收集患者数据或注意事故,为关节炎患者操纵物体以及提供一些社交互动。多年来,以这个机器人初衷为原型,后续的新版本不断发展,预计通用电气开发的医院机器人将于目前也逐渐在退伍军人事务医院进行测试。
 

(Nursebot,图片提供:卡内基梅隆大学)
 
研究人员一直在设想机器人将在灾难恢复和搜索救援中发挥普遍作用的未来,但是直到美国9/11发生后才广泛使用这种类型的机器人。
 
机器人专家罗宾·墨菲(Robin Murphy),当时是南佛罗里达大学(University of South Florida)计算机科学副教授,他在世贸中心倒塌后的第二天早上到达现场。她带来了一个响应团队,其中包括三个研究生-珍·卡斯珀(Jenn Casper),马克·米切尔(Mark Micire)和布莱恩·明滕(Brian Minten)–以及有软件指导的“有袋动物”机器人系统。这些智能的匿名“有袋”机器人在瓦砾中特别有用,因为“母亲”机器人释放了较小的机器人来探索其他方式无法到达的狭窄空间。墨菲对用于城市救援行动的实验性混合启动机器人的研究最初由NSF资助。
 
9月12日至23日,由美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助的研究人员协助了世界贸易中心(World Trade Center)的恢复工作。南佛罗里达大学工程学教授罗宾·墨菲(Robin Murphy)和三名研究生带着六个城市搜索和救援机器人在纽约“归零”,以帮助找到幸存者。墨菲为期11天的任务是一个较大团队的一部分,该团队回收了6名受害者的遗体。
 
墨菲的机器人独特之处在于它们的体积小,可以在非常狭窄的情况下进行机动。这些机器人被束缚在一起,并配有前灯和摄像头,为救援任务带来了明显的优势,就像世界贸易中心袭击的规模一样,在那次袭击中,破坏是巨大的,而且恢复非常危险。尽管它们的价格在10,000至40,000美元之间, 墨菲预言,搜救机器人将成为美国消防部门的标准装备。
 

(全美国消防部门的标准装备。图源:FEMA)
 
在接下来的11天中,应联邦紧急事务管理局(FEMA)工作队或部门负责人的要求,小组将五次插入瓦砾堆中。墨菲(Murphy)的机器人所搜索范围达100英尺,远远超过了消防部门的7英尺相机棒。在这样做的过程中,他们帮助找到了五名受害者和另一套遗体,尽管墨菲对自己没有再成功表示遗憾。

2000年代:小型化和移动性
 
随着2000年代的发展,工程师努力使组件小型化,导致机器人的体积大大小于以前的机器人。RoboBee项目就是这种趋势的一个令人震惊的例子,该项目于2009年获得了NSF计算机与信息科学与工程局颁发的“计算远征奖”。
 
这次探险的研究人员正在创造能够自动飞行的蜜蜂,并像真正的蜜蜂一样协调它们与蜂巢之间的活动。该研究小组旨在推动对紧凑型高能电源,超低功耗计算以及多智能体系统分布式算法设计的研究。最近,RoboBees在致力于其复杂设计的展览中为波士顿科学博物馆的年轻人授奖。
 
(受到苍蝇生物学的启发,它具有亚毫米级的解剖结构和两个极薄的机翼,几乎每秒不可见地摆动,每秒120次,Robobee进行了首次受控飞行。RoboBees经过十年的努力,达到了垂直起飞,悬停和转向的目的。图片来源:Kevin Ma和Pakpong Chirarattananon)

2010年代:投资合作机器人
 
2011年6月,美国政府启动了国家机器人计划(NRI),以开发可与人类一起或在人类旁边工作的机器人,以利用人类和机器人的不同优势来扩展或增强人类的能力,这为机器人技术研究提供了重点和资金。
 
NRI由NSF领导,并得到多个机构的支持,包括国家航空航天局(NASA),美国国立卫生研究院(NIH),美国农业部(USDA)和美国国防部(DOD)。自2011年以来,NSF及其在NRI的合作伙伴已在机器人技术研究上投入了超过1.2亿美元,同时,专业的机器人商业研究机构和专利代理机构开始出现,其中世界最为着名的机器人公司波士顿动力最开始就是国防部机器人商业化计划的一个分支。
如今,机器人以多种方式影响着我们的生活。机器人正在全国各地的教室中使用,以捕捉学生的兴奋并帮助他们学习STEM(和非STEM)原理。他们正在帮助医生进行手术,为残障人士提供帮助,并检查桥梁和道路以确保我们的安全。
 
美国国家科学基金会前历史学家马克·罗滕伯格说:“曾经仅限于科幻小说领域的机器人,如今已成为一种变革性技术,证明了美国国家科学基金会资助的基础研究如何带来人类生活的变化。”
 
尽管机器人可能是新兴的研究领域,但当今机器人的许多基础都始于基础研究,涉及传感,计算机视觉,人工智能,机械工程和许多其他领域,有些领域可能不会立即被认为与机器人有关。

下一步是什么
 
科学创新是一个种子,由NSF支持的研究人员在机器人技术方面取得了令人难以置信的进步,他们创造了新一代的协作机器人,该机器人可以处理与人类接近的关键任务,并且比以前的智能机器具有更大的安全性和柔性。
 

 
甚至目前人类也有了第一个人造机器人生物xenobots,在未来,和人类一样的机器人或许再也不是一个梦


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