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研發各式機器人及三種特殊機器人的介紹和應用

網易科技訊5月3日消息，據Science News for Students報道，每當提及機器人的時候，你可能會想到《機器人總動員》（Wall-E）中的機器，它的設計是為了完成許多無聊的任務，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器人，比如蛇形機器人將來可以在地震后尋找受害者，或者幫助醫生進行手術。水下機器人也許能夠帶領魚類遠離環境災難，人形機器人可以幫助患有疾病或身體殘疾的人。為這些機器人編程并制造它們是非常吸引人的工作。許多研究人員對實驗室中的機器進行修補，并編寫計算機軟件來控制它們。美國卡內基梅隆大學的豪維·喬塞特（Howie Choset）說：“它們是市面上最好的玩具。”喬塞特是個機器人專家，主要從事機器人設計、編程以及制造工作。神奇的蛇形機器人當喬塞特還是個孩子的時候，他對任何能移動的東西都感興趣——汽車、火車、動物。他把馬達放在小玩具汽車上，以讓它們移動。后來，在高中時，他制造了類似于小型汽車的移動機器人。為了繼續從事機器人研究工作，喬塞特在大學里學習計算機科學。但當他在帕薩迪納的加州理工學院讀研究生時，喬塞特發現同事們正在研究比遙控汽車更酷的東西——機器蛇。有些機器人只能向前、向后或左右移動。但是蛇形機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。喬塞特總結道：“機器蛇比汽車有趣得多。” 圖1：喬塞特及其團隊研發的機器蛇，它可向不同的方向扭曲前行。這些蛇形機器人可以滾動向前，慢慢地爬上某人的腿，甚至還會游泳開始在卡內基梅隆大學工作后，喬塞特和同事們開始開發他們自己的蛇形機器人。典型的蛇形機器人由金屬容器互相連接起來的，每個部分都由馬達和電子部件在里面。喬塞特的團隊給蛇形機器人編程，讓它像真正的蛇那樣移動，比如滑行和緩慢前進。這種機器人也會以不屬于蛇的方式移動，比如滾動。喬塞特的蛇形機器人可以爬過草地，在池塘里游泳，甚至爬上旗桿。這些機器人還有另外一個特點：它們可以在狹小的空間中機動。喬塞特說：“蛇可以進入我們無法到達的地方，因此這種機器人也可以被用于挽救生命。”舉例來說，在地震發生之后，蛇形機器人也許能夠幫助人們發現被困在倒塌建筑物中的人。對于救援人員來說，搜查那些建筑物是非常危險和困難的。但是，在配備了攝像頭的蛇形機器人的幫助下，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“災難之城”的救援人員培訓基地測試了他的機器人。但是喬塞特想知道，他的蛇形機器人是否在醫學上也有用。對于有些心臟手術來說，醫生必須打開病人的胸部，切開胸骨。而這些手術的恢復是非常痛苦的。如果醫生可以通過在身體上開個小洞并發送細長的機器蛇來完成手術，結果會如何？喬塞特團隊目前正與哈佛醫學院的心臟外科醫生馬可·澤納迪（Marco Zenati）合作研究這個想法。澤納迪在胸部的塑料模型上練習使用機器人，然后在豬身上測試機器人。他給豬注入麻醉劑，這樣它們就不會有任何感覺。然后，他在豬的胸腔下面挖了一個小洞，插入了30厘米長的蛇型機器人的“頭”。利用操縱桿，澤納迪讓機器人移動到豬的心臟后部。然后他通過機器人的身體將手術工具穿過，并用這個工具在動物的心臟上進行手術。波士頓一家名叫Medrobotics的公司現在正在為接受外科手術的患者調整該技術。蛇形機器人甚至可以用來搜索古代文物。喬塞特正在探索將機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危險，人們無法進入。裝有攝像頭的蛇形機器人可以向科學家展示里面的東西，甚至可能找到人工制品。喬塞特表示：“即使在與團隊合作了15年之后，在觀察我們的蛇形機器人運動時，我仍然不會感到厭倦。” 追隨領導者紐約大學理工學院的機械工程師莫里吉奧·波菲力（Maurizio Porfiri）也在制造類似動物的機器人。但他有不同的目標，即幫助真正的動物。波菲力的團隊制造出看起來像魚的機器人。這些研究人員希望他們的機器有足夠的說服力，讓真正的魚能夠接受機器魚作為他們群體的一部分。這樣，機器人就可以把魚從危險的地方引開，比如漏油區域。圖2：波菲力及其團隊設計并制造了模仿魚的機器人波菲力始終對動物很感興趣。在他的成長過程中，他最喜歡的活動之一就是去動物園。但波菲力也喜歡在日本漫畫中看到的機器人。所以當他開始創建自己的實驗室時，決定將這兩個興趣結合起來。科學家們已經知道，魚類喜歡成群結隊地游泳。魚群的領導者會創造出尾跡，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游泳要少得多，因此許多魚類會跟隨領導者，并因此形成魚群。為了弄清楚魚是否會接受機器人的領導，波菲力的團隊首先要建造魚形機器人。它靈活的尾巴可以來回擺動，推動機器人向前。波菲力解釋說，為了讓真正的動物與這個裝置互動，魚需要看到些看起來像它們的東西，比如像它們一樣游泳。研究人員把魚形機器人放在實驗室的水渠里，讓機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，并測量了金光魚待在魚形機器人附近的時間。他們還觀察，這條魚是在機器魚前面還是后面游動。如果機器魚的尾巴沒有擺動，金光魚就沒怎么注意它。但是當機器魚的尾巴以一定的速度移動時，魚就開始跟在它后面游動。波菲力認為魚會跟隨機器人游動，因為那會讓它們更節省能量。? 不過，并不是所有的魚都跟隨機器魚前進，波菲力的團隊現在正試圖找出原因。工程師們可能需要使用幾個不同的機器人，每個機器人吸引或排斥不同的魚，以吸引盡可能多的追隨者。波菲力的團隊還在研制一種機器人潛水艇，用來幫助圈養的動物。帶有螺旋槳的潛艇會傷害動物。因此，研究人員正在研制一種“安全”的潛艇，它的所有運動部件都在里面。水族館的訓練人員可以使用機器人潛水艇與海豹或海象等動物玩耍。例如，馴獸師可以把食物附在潛艇上，讓動物“捕食”，就像它們在野外捕食獵物一樣。有性格的機器人當瑪雅·瑪塔里克（Maja Matari?）上高中時，她曾編寫一個計算機程序，可與某人“交談”。用戶可以在計算機中輸入消息，程序隨后會顯示回復。現在，位于洛杉磯南加州大學的一名機器人專家正在領導名為“社會輔助機器人”的項目。這些設備可以說話、做手勢，四處走動。圖3：瑪塔里克的團隊正在設計一種機器人，可以幫助有溝通障礙的人練習社交技能瑪塔里克希望她的機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出現記憶和大腦功能問題，可能需要心理練習的幫助。中風后試圖恢復手臂功能的人，可能需要鼓勵來繼續做有益的練習。可是，由于沒有足夠的人來提供所需的各種幫助，這就需要“技術介入”。在一項研究中，瑪塔里克團隊測試了機器人幫助中風患者的恢復情況。中風通常是由于大腦中的血管破裂或血液凝結導致血液無法流向大腦所致，少量細胞在中風時死亡。所以后來的部分身體（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功能。然而，這些練習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器人編程，督促病人進行鍛煉，然后監測病人的運動。如果這個人主動地使用他或她的手臂，機器人就會給出鼓勵言辭。研究小組在6名中風患者身上測試了這個機器人。當機器人在場時，病人往往會比沒有提示的情況下更久地進行鍛煉，并遵循指令。接下來，研究人員測試了機器人的性格是否影響了人們對它的反應。機器人可以直接靠近患者，大聲說話，并做出有力的陳述，比如“你能做到!”其他時候，研究人員會讓機器人以更害羞的方式行動。在這段時間里，機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。”? 在這項研究中，健康的成年人用他們較弱的手進行鍛煉。這些任務與那些努力從中風中恢復過來的病人相似，比如移動鉛筆或翻閱報紙。研究小組發現，當機器人的性格與自己相似時，人們就會更久地練習他們的任務。瑪塔里克還在研究幫助患有自閉癥兒童的機器人。患有這些疾病的兒童在與人交流和互動方面存在困難，瑪塔里克希望機器人能幫助這些孩子練習社交技巧。機器人比人更有優勢的地方在于，它從不感到疲倦、沮喪或憤怒。瑪塔里克團隊設計并編程了1米高的人形機器人Bandit，它可以制造噪音、四處移動以及吹泡泡。在一項研究中，研究人員觀察了8個患有自閉癥譜系障礙的兒童如何應對Bandit。有些孩子似乎喜歡這個裝置，他們和機器人交談，與它玩耍，并試圖讓機器跟著他們。其他孩子似乎對其感到不太舒服，也許是因為Bandit馬達發出的聲音。這些孩子遠離機器人，靠近他們的父母或靠著墻待著。瑪塔里克團隊正在致力于改善Bandit，以便機器人可以展示孩子好的反應或負面反應。例如，如果孩子躲在墻邊，Bandit可能會退后，發出令人鼓舞的聲音，或者干脆關掉馬達。瑪塔里克、喬塞特以及波菲力只是今天許多致力于機器人研發的工程師之一。瑪塔里克表示：”無論你是想創造出探索海洋的機器人，還是到外太空旅行、幫助老人或執行醫療程序的機器人，我們在這個領域所能做的事情幾乎沒有任何限制。

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