理论分析下的机器人发展概况

张迪飞+赵新军

1 引言

1920年，一名捷克作家发表了一部名为《罗萨姆的万能机器人》的剧本，里面第一次出现robot（机器人），自此开始有了机器人较为具体的概念。现如今机器人的问世已经有了几十年，而对它的定义，却仍然是仁者见仁，智者见智，日新月异的机型， 飞速发展的技术，无一不体现了人们对于机械与完美永无止境的探索与努力。

在现代，机器人出现了很多类别，与人们的生活密不可分。工业机器人支撑着工业生产，医疗机器人在医疗领域大放光彩，农业机器人的出现大大解放了农村的劳动力，军用机器人逐步承担着各种危险或是精细的任务，而娱乐、服务型机器人则解更多地解决了一些社会性的问题……。本文基于TRIZ理论，对机器人的历史发展演变以及行业概况进行了分析探究，可以为机器人的进一步研究提供一些理论参照。

2 机器人发展史

从历史角度看来，机器人的发展史大概分为三个阶段：古代机器人、现代机器人和未来机器人。“机器人”是存在于多种语言和文字中的新造词，直到20世纪中叶，“机器人”才作为专业术语加以引用，然而这时作为机器人的概念在人类的想象中却已存在三千多年了。

2.1 古代机器人

古代机器人更像一种“机械玩偶”，并不符合现代对于机器人的定义。它们大多不具备自主能力，也不能分辨外部的信号或刺激，更多地是娱乐性的成分。它们最为精彩夺目的地方就是它们的机械结构，常常通过齿轮齿条等简单结构，就能组合出有一定复杂程度的运动。在材料上也大多使用木头、金属、布料等很平常的材料。但是这些在当时仍是代表着最先进的科学技术的优秀作品。

世界上最早的机器人诞生在中国，《列子·汤问篇》中记载西周穆王时期，有位叫偃师的能工巧匠制作了一个"能歌善舞"的木质机关人；春秋战国时期的鲁班做出了可以在天空中飞行的“木鹊”；三国时期蜀相诸葛亮发明了木牛流马；南北朝时期杰出的科学家祖冲之制造出一种可以日行一百余里的“千里船”。

在日本，最为经典的是活动玩偶（指机件制动的玩偶），使用发条结构，其制作盛行于日本江户时代，最具代表性的有广为人知的“端茶玩偶”（见图1）。将茶杯放在玩偶双手端着的茶盘上，它就会晃着脑袋，慢慢挪动双脚，来到客人面前。客人端起茶杯，他就停止前进，客人喝完茶将茶杯再次放在茶盘上时，他就会一个转弯，调头返回原处。

瑞士钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三个像真人一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人（见图2）。它们是靠弹簧驱动、凸轮控制的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切尔市艺术和历史博物馆内。

2.2 现代机器人

在1976年第一届机器人学术会议上，提出了两条代表性的机器人定义，一个是森政弘和田周平提出的“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性.、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。另一个是加藤一郎提出的“（1）具有脑、手、脚等三要素的个体；（2）具有非接触传感器（用眼、耳接受远方信息）和接触传感器；（3）具有平衡觉和固有觉的传感器”。

现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。在这个阶段，随着科学技术的突飞猛进，机器人的相关技术也变得迅速高深起来，并且改革换代的速度也大大加快，原理和结构都变得复杂多样化。这个时期的机器人的自主性和可操控性大大提升，可以极大地适应使用环境，部分机器人已经完全可以替代人类进行相关作业。

现代机器人门类众多，总的来说可以分为：工业机器人、服务机器人、农业机器人、娱乐机器人、医疗机器人、仿生机器人、网络机器人、军用机器人、特种机器人（这些分類的界限不是十分明晰，部分概念可能会稍有重叠）。

现代机器人的发展可以分为三个阶段。第一阶段：可编程机器人，属于示教再现型，可根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作。如一些工业机器人，他们只能根据提前编好的程序进行工作，工作环境和工作对象较为单一，不具备自主性（见图3）。第二阶段：感知机器人，也称自适应机器人，是在第一代的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知能力”。这个阶段的机器人已经可以识别一定的工作对象或者工作环境，但是感知仍是有限范围内的，如管道机器人（见图4），它可以识别不同的管道路线或口径从而调整自己的履带来适应工作环境。20世纪90年代以来，在生产企业中这类机器人的台数正逐年增加。第三阶段：智能机器人，具有识别、推理、规划和学习的智能机制，可以把感知和行动智能化结合在一起，能在特殊环境下作业。这种机器人对技术和材料的要求性较高，具有很大的自主性和独立性，有一些智能机器人已具备良好的传感性和交互性，在现代家庭生活中占有一席之地，逐渐担任如家庭保姆这类更加重要的角色（见图5）。总的来说，智能机器人仍处在不断探索的过程中。

3 TRIZ理论在机器人发展中的分析

3.1 kibo机器人

Kibo（见图6）是一款玩具机器人（有时也称教育机器人），它是由KinderLab机器人公司推出的一款专门为4～7岁儿童设计的机器人学习套件和编程平台。在这个平台上，儿童可以用木块来为这款机器人编程。它运用了分割的原理，将物体分割成了互相独立的部分；也使用了局部质量原理，使组成物体的每一部分都最大限度地完成任务。儿童通过自己的选择，对积木进行不同的组合，而每块积木代表不同的编程，kibo就会读取组合后的特定编程并会做出相应的动作。同时孩子们也可以通过不同的模块组合以及编码块的顺序组合来学习基础的编码知识和工程知识。

3.2 人形机器人与“恐怖谷”理论

在人形机器人领域，有一条经典的森政弘“恐怖谷”理论：“随着机器人和人类相似度不断增加，最初阶段中人类有很强的兴奋感，但是当相似度达到一定程度反而会造成强烈的抵抗和厌恶的情绪。到最后，随着相似度到达一个更加高的水平，人们对机器人的态度又会再次转化为喜爱。”这条理论充分说明了变有害为有益这条原理。变有害为有益就是加大一种有害因素的程度使其不再有害，这可以通过两个经典的机器人来说明：

Pepper机器人（见图7）是由日本软银集团和法国Aldebaran Robotics研发的人形机器人。它可综合考虑周围环境，并积极主动地作出反应。它的外观，正是属于并不是和人类十分接近的形态，推出之后大受欢迎。

同样是日本推出的人形机器人Erica（见图8），则做到了声音表情都非常接近人类。它的功能和pepper十分接近，但是因为外观与人类极其相似，制作工艺十分精良，也备受大家喜爱。而在它之前推出的各种“美女机器人”系列之中，有很多机器人却因为外形与人类有些相似却不够精细而遭到了大家的否定。

此外，对于人形机器人来说，其皮肤采用同质化原理，而它的骨骼则采用了复合材料，以求和人类更为接近，增加亲切感。

3.3 昭和花子二代机器人

昭和花子二代机器人（见图9）是东京昭和大学开发的牙科训练模拟机器人。它有着相当逼真的女性容貌，会通过眨眼、吞咽口水或者咳嗽等动作来模拟病人的不适反应，让实习牙医能够尽快熟练掌握各种牙科手术。它与一代相比最为突出的特点就是更致力于与人的反馈，引入反馈原理以改善过程或动作。通过更为真实更贴近人的行为反应，来起到应有的作用。它在材料上同样应用了同质性和复合材料的原理。

3.4 RI-MAN 机器人

RI-MAN机器人（见图10）是由日本名古屋理研生物模拟控制研究中心开发的医用搬运工模型。它的特点在于应用了参数变化、机械系统结构的替代和预补偿。RI-MAN身高158厘米，重约100公斤，全身覆盖着厚约5毫米的柔软硅材料，极大地提高了它的柔性，使其在搬运病人时不会伤害到病人。而且它的身上有5个部位安装了柔软的触觉传感器，能感受一定的压强，还配置了视觉、听觉和嗅觉传感器，可根据声源定位并通过视觉处理找到呼唤它的人，理解声音指令，然后横抱起模拟被护理者的人偶。除流畅地完成这一系列动作外，它还能够通过嗅觉传感器来判断怀抱的护理对象的健康状况。负责设计“RI-NAM”的研究人员说，他们参照人类的神经系统，利用特定的构造和装置分别模拟人类的大脑、小脑和脊髓，成功开发出了可对机器人全身进行操控的网络系统。研究人员说，在紧急时刻，这种机器人能像人类条件反射一样对外界环境作出快速反应。

3.5 QB会话机器人

Anybots公司推出了QB会话机器人（见图11），该机器人是一台人类大小的机械装置，装置上携带了扬声器、麦克风、摄像头和显示屏。用户可以通过使用浏览器和键盘来控制QB机器人，机器人所看到的即为操作者所见。使用者还可以让机器人走动并且与远在世界的另一端的人互动。它运用的是等势性、反向和中介物的原理，使物体中运动部分静止，静止部分运动，它可以变成“你的化身”，在使用者不方便的时候代替他进行移动和交流。

3.6 PoseiDRONE 机器人

如今，柔性技术已经成为机器人领域的研究热点。欧洲研究机构BioRobotics开发的章鱼机器人PoseiDRONE（见图12）就应用了参数变化、维数变化和柔性壳体或薄膜的理论。它的重量仅不到1kg，全身将近80%的部分由柔软的人造橡胶构成。较高的柔性能够使机器人自主改变身体的形状，四肢可以多维度变化，拥有很高的灵活性，能够适应更多复杂的环境。

4 机器人未来预测

未来的机器人将会越来越趋于专业化，在一些精细度较高或操作环境较为特殊的环境下还有替代人类的趋势，在未来的生产生活中，机器人将占有很大的比例，各行各业都有可能在机器人技术的推动下发生翻天覆地的变化。医疗机器人的发展空间十分广阔，当解决机器人的自主性问题时，它们将會出现在更多门类的手术上，精细程度高，不会疲倦，不会受到感染这些都是它们的有利条件。机器人还可以替代人类身体损伤的部分在人体中继续工作。在军用方面更是急需更为先进的机器人，一旦爆发战争，机器人可以替代人类统治未来战场，进入一些危险的场地进行探查，可以极大降低战场上的牺牲人数。此外，针对操作环境的多样性和复杂性，以及机器本身的可操作性，未来机器人也会向柔性、多维方向发展，以改变现有机器人灵活度不够的问题，结合预补偿可以更好适应工作环境以求得尽可能大的效益。现代机器人中第一阶段第二阶段的机器人均会向第三阶段慢慢过渡，在此之下必然要求新的技术和材料的出现，可能会有低成本、不耐用的材料来替代贵重耐用的材料，而抛弃与修复和自服务也是考验机器人智能化程度的关键所在。新的科学技术推动着机器人的发展，而在先进机器人参与之下，科研进程也会被更加迅猛地向前推进。在智能化的大环境下，智能机器人也必然是未来发展的大趋势。无人驾驶的汽车、可以随天气变化而变化的衣物、全由机器人来担任其中工作的无人工厂等，这些也将步入现实，机器人将会使人们的生活更为便捷。

未来的机器人会更加细致全面渗透入人们的生活。然而因为其存在的独特性，法律和伦理道德有可能也会做相应的变动。如果我们允许未来机器人拥有情感，毫无疑问这将引领人们进入更深层次的智能时代，机器人将会在家庭生活中担任保姆角色，完全地照顾我们的老人和小孩，全面地照顾我们的生活起居，也可以在工作中成为得力的助手，为有效收集和分析信息，并且以一个“独立”的身份做出合理的建议。总而言之，未来机器人还会有很大的发展，会愈加接近人们的理想状态，对于机器人的观念，也会有很大的改变，而机器人的界限和定义，会变得更加宽泛。

5 小结

机器人的发展历经多年，从开始仅作为赏玩的工具，到现在发挥着越来越重要的作用，而伴随着科技的发展更是以日新月异的速度在不断进步。机器人的未来，也必会有一番很大的变化，未来的生活、工作、学习都将离不开它。从古代机器人到现代机器人，机器人的发展历程体现了诸多的TRIZ原理的应用，而现在的较为先进的机器人其中的特点也往往是某条或某几条原理的最优化体现。结合TRIZ理论，机器人的发展可以走得更好、更符合人类的要求。而机器人，也可以适应各种各样的环境，在不同的领域中尽职尽责地发挥着自己的作用。

责编/马铭阳