第1章 我能像狗一样奔跑

1.1 给你讲讲机器人的历史

提起机器人这个名词想必大家都不会陌生，大量的科幻小说及影视作品中到处可见机器人的形象。《变形金刚》《钢铁侠》等优秀机器人电影更是伴随着80后、90后、00后一起成长。科幻作品中的机器人形象是多种多样的。例如，电影《星球大战》里出现的能进行修理、翻译工作的小机器人R2-D2忠实可靠、爱岗敬业，礼仪机器人C-3PO则胆小怕事、逗人发笑；《终结者》系列中来自未来的机器人终结者冰冷恐怖、高深莫测；《人工智能》中的大卫则是一个令人感伤、思念久远的角色[1]，这些机器人栩栩如生，如图1-1所示。

科技发展到了今天，机器人早已不是那些只能在人类的幻想中才会出现的科技怪物，它们正在人类社会的方方面面发挥着重要的作用。例如，“勇气号”“机遇号”“好奇号”火星探测机器人在火星上奔波不停，为人类的火星移民计划提供了必要的信息（如图1-2所示）；深海机器人潜入深渊，代替人类对深海火山的生态系统进行考察（如图1-3所示）; PackBot机器人不惧核辐射的威力，进入福岛第一核电站内部进行辐射情况探测（如图1-4所示）；军用机器人在局部战争中初露锋芒，代替军事人员进行各种特殊作业等（如图1-5所示）。

各类媒体中的机器人也常常映入人们的眼帘。春晚上的机器人集体舞蹈精彩纷呈、气势恢宏（如图1-6所示）、餐厅里的机器人服务生彬彬有礼、气质超群（如图1-7所示）。企业提高产品品质、增进生产效益，需要机器人；人们改善物质生活、丰富精神享受，也需要机器人。我国政府在《中国制造2025》中也将机器人作为重点领域加以强调。

或许有人认为以上事情离普通人还比较遥远，但其实我们每个人的生活都与机器人密切相关。人们乘坐的汽车、火车是工业机器人在工厂里参与制造的（如图1-8所示）；人们吃的粮食、水果是农业机器人在田野里参与收割的（如图1-9所示）；甚至一些人家里都已经开始有机器人在清扫卫生、端茶倒水（如图1-10和图1-11所示）。所以，机器人的世界，离我们真的已不再遥远。

1.1.1 古代的机器人

自古以来，人类就希望制造一种像人一样聪明、能干的机器，以便代替人类完成各种工作，将人类从繁重的体力劳动和复杂的脑力劳动中解放出来，古今中外许多能工巧匠和科学大师们都在为此而不懈努力。

公元前400—公元前350年，《墨子·鲁问篇》记载公输子（即鲁班）“削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下”[1]。

公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了被称为“自动机”的装置，它是以水、空气和蒸汽压力为动力的装置，它会活动，可以自己开门，还可以借助蒸汽来发声唱歌[2]。

东汉时，人们发明了“记里鼓车”（见图1-12），它靠传动齿轮和凸轮杠杆等机械装置驱动，车行一里，车上木人受凸轮的牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓，无须人们手工测量计程，这是最早的计程工具。

后汉三国时期，诸葛亮制造了木牛流马（见图1-13）。据《三国志·诸葛亮传》记载：“九年，亮复出祁山，以木牛运”, “十二年春，亮悉大众由斜谷出，以流马运”。木牛流马“口内舌头扭转，即不能动弹；再扭回来，复奔跑如飞”[3]。“搬运粮米，甚是便利。牛马皆不水食，可以昼夜搬运不绝也”。

人类社会迈入18世纪之后，第一次工业革命从英国发展起来，开创了以机器代替手工工具的时代[4]。随着各种自动机器、动力系统的问世，机器人也开始进入了自动机械时期，出现了很多机械式控制的机器人，具有代表性的是各种精巧的机器人玩具和机器偶人。

1662年，日本杰出工匠竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出，引起轰动[5]。

1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，栩栩如生，它能发出嘎嘎的叫声，会游泳和喝水，还会进食和排泄。

1768—1774年间，瑞士神奇钟表师德罗斯父子三人，设计制造出三个像真人一般大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人，这些偶人本领高超，分别会写字、绘画和弹琴[6]。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器，至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内，供游人观赏。

1893年，加拿大著名机师摩尔设计了以蒸汽为动力、能行走的机器人“安德罗丁”, “安德罗丁”摇摇摆摆的步伐经常引起人们的围观，也博得世人的啧啧称奇。

在科学家和工程师们实际制造出这些精巧的偶人的同时，文学家也对机械偶人产生了浓厚的兴趣，有关偶人的文学作品在这一时期得到了蓬勃发展，出现了《浮士德》《木偶奇遇记》《未来的夏娃》等一系列文学作品，将偶人的形象在大众中广为传播，这也预示着，机器人即将正式走上历史舞台。

1.1.2 “机器人”得名的由来

在工业革命推动科学技术迅速发展的同时，人们的思想观念也得到了极大的解放。自古罗马时代以来，欧洲就处于封建神学的统治之下，宗教氛围笼罩在人们的身边，当时大家都认为人是上帝创造的。后来，随着文艺复兴的兴起，生理学和医学得到了进一步的研究和发展，在对人类结构研究的基础之上，一些科学家、哲学家逐渐从宗教神学的束缚下摆脱出来，他们对上帝造人说产生了质疑。

基于对人体的构造与功能的系统研究和深入探索，法国数学家笛卡儿提出了一个“人是机器”的宏大命题。英国哲学家霍布斯对此更进一步地加以了阐述：“人不过是一架正立行走的机器：心脏是汲筒，四肢是杠杆，关节是齿轮，神经是游丝……”

这种思想观念彻底改变了人们对自身的看法，人们发现人与机器之间并没有本质区别，二者之间是有联系的。人是机器，有机器性的一面，于是人们开始反过来思考，那么机器是否可以模仿人，具有人的人格，从而转变为人呢？

科幻文学作家们首先对这个问题进行了深入思考，并不断发表引发人们思考和争论的文章。1920年，捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，开启了人们对机器人认识的新纪元[7]。

该剧本的故事梗概是：

未来，机器人会按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动[8]。后来，罗萨姆公司取得了成功，打破常规，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加，在工厂生产和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。再后来，机器人通过与人类的接触，发觉人类十分自私和不公正，怨愤渐生，终于有一天机器人造反了。机器人的体能和智能都非常优异，它们消灭了人类主人。但是机器人不知道如何制造它们自己，而每台机器人的寿命最多只有20年，它们认识到自己很快就会灭绝，所以它们保留了罗萨姆公司技术部主任的性命，让他研究机器人繁殖技术。但是，当机器人繁殖技术被研制出来，且被机器人掌握以后，机器人最后将那位技术部主任也杀掉了，从此人类灭绝了。

卡雷尔·卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题，科学技术的进步是一把双刃剑，既可能促进人类社会的发展，也可能引发人类社会动荡[9]。虽然《罗萨姆的万能机器人》只是一篇科幻剧本，但是它却揭示了人类社会未来可能面临的危机。因此，该剧本得到了人们的广泛关注，被翻译成多国文字在全世界流传开来。

在这篇享誉世界的科幻作品中，卡佩克根据捷克文robota（原意是劳役、苦工）和波兰语robotnik（原意是工人），创造出了一个词语Robot，用来称呼剧中的机器人主角[10]。随着小说被翻译成多国文字广为流传，各国也纷纷将Robot作为机器人的名称，在中国则译为机器人。从此，机器人这个名词开始正式走上历史舞台。

1.1.3 现代机器人的问世

进入20世纪以后，随着电的发明及其广泛应用，机器人技术也进入了一个新的发展时期。

1939年，美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro，如图1-14所示[11]。Elektro相貌堂堂，体形魁梧，拖缆控制，可以行走，会说77个字，甚至还可以抽烟，但离真正干家务活还差得很远。不过它让人们对家用机器人的憧憬变得更加清晰和具体起来。

第二次世界大战之后，美苏两国竞相发展核技术以争夺世界霸权，但是由于核武器所用材料具有致命的辐射作用，人体不能直接接触，所以美国原子能实验室迫切希望使用某些操作机械代替人来搬运、处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1944年发明了主-从机械手（如图1-15所示），开创了机械手研究的先河[12]。所谓主-从机械手，就是人们通过把放射性物质放置在辐射屏蔽间内，再通过控制在屏蔽间外面的主机械手，来驱动在屏蔽间内部的从机械手移动放射性物质。这种机械手至今仍应用在很多场合中。

进入20世纪40年代，人类又迎来了两项重大科技发明。1946年2月14日，第一台电子计算机ENIAC 在美国宾西法尼亚大学诞生（如图1-16所示），并于次日正式对外公布。

ENIAC每秒钟能执行5000次加法或400次乘法运算，是人类手工计算速度的20万倍，人们为计算机的超凡能力而赞叹不已。但是，初生的ENIAC绝对不是一个“襁褓中的婴儿”，而是一个庞然大物，它包含了17468个真空管、7200个水晶二极管、1500个中转器、70000个电阻器、10000个电容器、1500个继电器、6000多个开关。ENIAC长30.48m，宽1m，占地面积约63m2。它有30个操作台，约有10间普通房间的大小，重达30t，耗电量150kW，造价48万美元。诚然，如此巨大的计算机想要普及应用显然是不现实的[13]。

1947年12月23日，美国新泽西州贝尔实验室的巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在导体电路中进行用半导体晶体把声音信号放大的实验时，发明了科技史上具有划时代意义的成果——晶体管（如图1-17所示）[14]。因为它是在圣诞节前夕被发明的，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，也使得计算机的体积缩小、价格大幅下降，而性能却大为提升，人们期盼已久的计算机大规模普及应用终于变成现实。

这时候人们开始思索，机器可以做很多事情，但是机器需要人来操作。计算机具有比人类更优秀的计算能力，那么可否将计算机装在机器上来代替人操作机器呢？也就是说能否把计算机的智能功能和机器的机械功能结合在一起呢？1948年，诺伯特·维纳出版了《控制论》，在书中他深刻阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，并且率先提出了建设以计算机为核心的自动化工厂的思路。诺伯特·维纳将计算机智能和机器机械功能相结合的可行性从理论上进行了论证，为这一伟大结合奠定了坚实的理论基础[15]。

1954年，美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机器人能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1959年，乔治·德沃尔凭借伺服装置的专利与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——美国万用自动化公司（Unimation）。英格伯格因长期对工业机器人的努力研发和不懈宣传，被称为“工业机器人之父”。

1962年，Unimation公司的第一台机器人Unimate（如图1-18所示）正式出产并在美国通用汽车公司（GM）投入使用，标志着第一代工业机器人正式诞生[16]。

同年，美国AMF公司生产出机器人VERSTRAN（意思是万能搬运），与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，从此在世界上掀起了对机器人应用和机器人研究的热潮。

随着机器人研究的深入，人们开始尝试将传感器安装到机器人身上，让机器人具有感知功能。1961年，恩斯特开始在机器人身上采用触觉传感器；1962年，托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上采用了压力传感器；1963年，麦卡锡则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年帮助麻省理工学院（MIT）制作出了世界上第一个带有视觉传感器、能识别并定位积木的机器人系统。

1965年，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast能通过声呐系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。

20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等高等院校陆续成立了机器人实验室。第二代带传感器、“有感觉”的机器人开始蓬勃兴起。

1968年，美国斯坦福研究所公布了他们研发成功的机器人Shakey（如图1-19所示）。该机器人带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey靠电视摄像机摄取图像，四周有“猫须型”接近觉传感器检测环境，下面使用轮子进行驱动，靠无线电天线和主计算机进行通信。Shakey可以算是世界上第一台智能机器人，它拉开了第三代机器人研发的序幕。

1978年，Unimation公司推出通用工业机器人PUMA（见图1-20），标志着工业机器人技术已经成熟。PUMA机器人具有多关节、全电动驱动、多CPU二级控制；可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是一种理念超群、技术先进的工业机器人。现在许多工业机器人的结构均是以此为基础的[17]。至今，PUMA仍然工作在生产第一线。

1984年，英格伯格推出机器人Helpmate（见图1-21），这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年英格伯格预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全。”

1997年7月4日，携带火星探路者的美国飞船着陆火星[18]。这名火星探路者名叫“索杰纳”（如图1-22所示），是一个小型六轮探测机器人。该机器人重约10kg，造价2500万美元。它具有人工智能，使用太阳能动力。它目标明确，哪里有岩石就往哪里爬，目的是搜集有关岩石成分的数据。

1998年，世界著名玩具厂商乐高（LEGO）公司推出机器人（Mind-storms）系列套件（如图1-23所示），让做机器人变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界，同时掀起了机器人教育的热潮。

1999年，日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），如图1-24所示。AIBO为人工智能机器人（artificial intelligence robot）的缩写。AIBO 售价在1600美元左右，尽管价格不菲，但因功能强大、造型可爱，还是被人们抢购一空，创造了20分钟内卖掉3000只的惊人纪录，从此娱乐机器人成为机器人迈进普通家庭的主要途径之一。

2002年5月2日，纽约证交所里，日本本田公司制造的仿人机器人阿西莫（ASIMO）（见图1-25）摇响了开市铃声，现场无数人的眼光顷刻投在了这个四英尺高的白色机器人身上。评论家普遍认为：“这铃声不仅仅是庆祝本田公司在美国上市25周年，更是摇响了机器智能时代的开始。”

2002年，iRobot公司推出了吸尘器机器人伦巴（Roomba），如图1-26所示。iRobot公司是一个拥有整套发展机器人工业技术的公司，行业涉及军事、航天、民用等各个方面[19]。Roomba是一款典型的军转民产品，售价199美元，外形很像一张披萨饼，它能通过传感器和导航软件自动打扫房间。Roomba拥有的数学运算法使其可以自主设计路线，还可通过传感器避开各种障碍、察觉陡坡以免摔下楼梯。在电量不足时，它还能自动驶向充电座。目前，Roomba在全球的销量已超过500万台，是世界上销量最大、商业化最成功的家用机器人。

2011年2月25日5时53分（美国东部时间2月24日16时53分），美国“发现号”航天飞机顺利升空，携带人类首个太空机器人Robonaut 2进入空间站[20]。该机器人由美国宇航局与通用公司设计制造，是首个进入太空的仿人机器人，如图1-27所示。

2007年，微软公司总裁比尔·盖茨应《科学美国人》杂志社对机器人发展趋势的约稿，发表了举世瞩目的文章《家家有个机器人》[21]。文中指出：“机器人行业目前所面临的现状，和30年之前个人计算机所面临的状况一样：以若干开创性新技术为基础，行业内的公司在出售专业的商业服务，一大批新兴企业制造新式玩具、为发烧友提供配件，还出售其他各种有趣的产品。然而，它同时也是一个高度分散、各自为政的行业，几乎没有统一的标准或平台，开发项目复杂、进展缓慢，实际应用的成果寥若晨星，但是大家都看得到它的潜力。”文章预言：“机器人即将重复30年前个人电脑崛起的道路，机器人将彻底改变这个时代的生活方式[22]。”随即微软公司推出基于Windows开发环境、用于构建面向各种硬件平台的软件——Microsoft Robotics Studio（如图1-28所示），试图实现机器人统一的标准或平台，在机器人领域延续霸主地位。