机器的大脑是什么?

一场突发悲剧敲响了警钟：2011年日本大地震和海啸引发福岛第一核电站核事故，给众多机器人专家敲响了警钟。这场事故发生后，媒体报道高剂量辐射阻碍了工人实施紧急措施，例如操作压力阀。其实这是一项非常合适机器人的任务，但无论是日本还是其他国家的机器人都没有能力关闭这个阀门。福岛核事故使机器人界意识到：技术需要走出实验室，进入现实世界。 自福岛核事故以来，救灾机器人的研发已经取得了重大进展。世界各地的研究组织演示了可在碎石上行驶的无人驾驶车辆、可通过狭窄缝隙的机器蛇，以及可从空中绘制现场地图的无人机。研究人员还在制造类人机器人，用于探查灾害和执行关键任务，如操作和读取仪表面板或运送急救设备。

尽管取得了诸多进步，但制造运动和决策能力可媲美应急人员的机器人仍然是一大挑战。推开沉重的门、打开灭火器，以及一些简单但费力的工作都需要一定的协调能力，而机器人尚未掌握这种协调能力。 远程操作是突破这一限制的一种方法，人类操作人员可以连续不断地远程控制机器人，也可以在特定任务期间进行控制，帮助它超越自我，完成更多任务。 远程操作机器人长期以来被应用于工业、航空航天和水下环境。近期，研究人员用动作捕捉系统进行了实验，将人的动作实时传输给类人机器人：人在挥动手臂时，机器人也会模仿人的动作。为了获得完全沉浸式的体验，特殊的眼罩可以让操作人员看到机器人通过摄像头捕捉到的东西，触觉背心和手套可以给操作人员带来触觉感知。 在麻省理工学院仿生机器人实验室，我们的团队正在进一步推动人与机器的融合，意在加速开发出实用的救灾机器人。在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的支持下，我们正在构建远程机器人系统，该系统由两部分组成：一个具有灵活、敏捷行为能力的类人机器人，以及一种新型双向人机界面，可以对操作人员的工作和机器人的动作进行双向传递。因此，当机器人踩在废墟上，开始失去平衡时，操作人员也会感受到这种不稳定，并本能地做出反应，避免跌倒。我们捕捉到这种身体反应，并将其发送回机器人，帮助它避免跌倒。通过这种人与机器人的连接，机器人可利用操作人员天生的运动技能和瞬间的反应来站稳。

这可以理解为，我们将人脑放入了机器中。

理想情况下，未来的救灾机器人将拥有很大的自主权。有朝一日，我们希望能够派遣机器人独自进入着火的大楼搜寻遇难者，或者在损坏的工业设施中部署机器人，让它找到需要关闭的阀门。我们要走的路还很长，因此越发对远程操作感兴趣。 近期，美国国防部高级研究计划局的机器人挑战赛和日本ImPACT Tough机器人挑战赛等展示了远程操作领域的各种可能性。灾难现场的不可预测性是要求人工参与决策的一个主要原因。穿越这些混乱的环境需要高水平的适应程度，目前的人工智能算法还无法达到这一程度。

例如，如果自主机器人遇到一个门把手，但无法与数据库中的门把手相匹配，则任务失败。如果机器人的手臂被卡住，但不知如何脱身，则任务失败。而人类可以通过现场学习和调整，来处理此类情况。我们每天都在这样做，我们能够识别物体形状的变化，应对低能见度情况，可以在现场学会使用新工具。

人的运动技能也是如此。想象一下背着沉重的背包跑步。你可能比没有负重跑得慢一点，距离短一些，但你仍然可以执行这项任务。我们的身体可以轻松地进行动态调整。 目前正在开发的远程操作系统并不是为了取代腿式机器人保持自我平衡和执行其他任务的自主控制器。我们仍然在为机器人赋予尽可能多的自主性。但将机器人与人工结合，可同时利用两种优势：机器人的耐力和力量，以及人的适应性和认识能力。 我们的实验室长久以来一直在探索如何在生物系统的启发下设计出更好的机器。现有机器人无法执行所谓的力量操纵——比如敲开一大块混凝土或用斧头砸门等费大力气的动作，这是它们的一个特殊局限。大多机器人都设计用于比较柔和、精密的移动和温和的接触。 我们针对这种需要较大力量的操作，设计了高效机器人机构和机电系统（Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System，HERMES）。HERMES机器人相对较轻，仅45公斤，但却很强壮。它的身高大约是普通人的90%，可让它在人的活动空间中自然地活动。 我们没有使用常规的直流电机，而是借助多年来开发Cheetah平台的经验， 制作了专门的执行器，为HERMES的关节提供动力。Cheetah是能够做出冲刺和跳跃等爆发性动作的四足机器人。执行器包括与行星齿轮箱耦合的无刷直流电动机。所谓的行星齿轮箱中有3个“行星”齿轮围绕1个“太阳”齿轮旋转，可产生很大的扭矩。机器人的肩膀和臀部受直接驱动，而膝盖和肘部由连接到驱动器的金属棒驱动。因而HERMES不像其他类人机器人那么僵硬，能够吸收机械冲击，而齿轮不会被撞击成碎片。

第一次启动HERMES时，它只有两条腿，不能独自站立，所以我们把它挂在一条背带上。我们给它的左腿编写了踢腿程序，进行简单的测试，并将实验室内视线所及的第一样东西——塑料垃圾桶放在机器人面前。我们满意地看到HERMES将垃圾桶踢到房间的另一边。

为控制HERMES而构建的人机界面不同于传统的人机界面，它依赖于操作人员的反应来增强机器人的稳定性。我们称之为平衡反馈界面（Balance-Feedback Inetface，BFI）。 历经数月时间和多次迭代，BFI开发完成。最初的BFI理念与斯蒂芬•斯皮尔伯格执导的电影《头号玩家》中出现的全身虚拟现实套装有些许相似之处。开发一直处于设计阶段。我们发现，追踪和移动人体中200多块骨骼和600多块肌肉并不是一个简单的任务，所以我们决定从更简单的系统着手。 与HERMES配合时，操作人员站在一个边长约90厘米的方形平台上。测压元件测量平台表面的受力，这样我们就知道操作人员双脚踩在了哪个位置。将一组连杆连接到操作人员的四肢和腰部（人体大致的质心位置），使用旋转编码器精确测量1厘米以内的位移。其中有些连杆不仅用于传感，它们还配备马达，用于向操作人员身体施加力和扭矩。如果将你绑在BFI上，这些连杆可以向你的身体施加80牛顿的力，足以把你推动。 我们设置了两***立的计算机来控制HERMES和BFI。每台计算机运行自己的控制回路，但彼此不断交换数据。在每个回路之初，HERMES收集自身姿势数据，并将该数据与从BFI接收到的操作人员姿势数据进行对比。根据对比数据的不同，机器人调整执行器，并立即将新的姿势数据发送给BFI。之后，BFI执行类似的控制回路来调整操作人员的姿势。此过程每秒重复1000次。 为了让双方能在如此高的刷新速率下操作，我们不得不浓缩共享的信息。例如，BFI只发送人的质心位置和每只手脚的相对位置，而不是发送操作人员姿势的详细信息。之后，机器人的计算机将测量值按HERMES的尺寸比例进行缩放，HERMES会参考并复制这一姿势。与其他双向远程操作回路相似，这种耦合可能会引起振荡或不稳定。我们通过微调那些用于映射操作人员和机器人姿势的比例参数，使这种不稳定最小化。 在测试BFI时，我们中的一员（本文作者约翰•拉莫斯João Ramos）主动成为操作人员。毕竟，系统核心部分的设计师是最适合亲身体验以进行调试的。 在最初的一次实验中，我们使用一种早期平衡算法测试HERMES，观察人和机器人在耦合时的行为。测试中，一名研究人员用橡皮锤击打HERMES的上半身。每一次击打，BFI都对拉莫斯产生类似的震动，拉莫斯反射性地移动身体以保持平衡，从而使机器人也能把控自己。 到此刻为止，HERMES还只有两条腿和一个躯干，但我们最终完成了身体的其余部分。手臂使用的驱动器与腿和手使用的驱动器相同，由3D打印部件制成，并用碳纤维加固。头部有一个立体摄像头，可将视频传输到操作人员佩戴的头罩上。我们还给它加了一顶安全帽。 在另一轮实验中，我们让HERMES在石膏板墙上打洞，用斧头砸木板，在当地消防部门的监督下用灭火器扑灭可控的火苗。救灾机器人不仅需要蛮力，为此HERMES和拉莫斯还合作进行了更灵巧的操作，比如把水壶里的水倒进杯中。 在每次操作人员绑着BFI模拟执行任务时，我们兜观察机器人如何模仿这些动作。此外，我们还研究操作人员的反应对机器人帮助最大的场景。例如，当HERMES砸墙时，它的躯体会向后反弹；几乎在同时，相应的力推向操作人员，他反射性地将身体前倾，帮助HERMES调整姿势。 我们准备进行更多的测试，但又意识到HERMES太大，太强壮有力，不适用于我们想做的实验。虽然类人大小的机器可以帮助完成实际任务，但移动很费时间，而且需要采取很多安全措施——毕竟它在挥舞着斧头！想尝试更多的动态行为，甚至是步行都很困难。我们认为HERMES需要一个弟弟。━━━━小HERMES是HERMES的缩小版。它使用同样的高扭矩执行器，执行器安装在躯干附近，而不是腿上。这样腿部就可以更快地摆动。为了使设计更紧凑，我们减少了肢体运动轴的数量，用机器人术语说，也就是降低了自由度，由6个减少到3个，并用简单的橡胶球替换了原有的两趾足，每一个橡胶球内部都配有三轴力传感器。 要将BFI连接到小HERMES，也需要进行相应调整。成人和小号机器人在尺寸上差别很大，当我们试图将双方的运动直接连接起来（如映射人的膝盖和机器人膝盖的位置）时，会导致它出现急促运动。我们需要一个不同的数学模型来协调这两个系统。我们提出了一个可以跟踪参数（如地面接触力和操作人员质心）的模型，这个模型能够捕捉操作人员想要做出的运动的“轮廓”，供小HERMES来执行。 在一次实验中，我们让操作人员踏步行进，起初很慢，然后加快。我们欣慰地看到小HERMES也以同样的方式行进。当操作人员跳起来时，小HERMES也跟着跳了起来。

从我们拍摄的一系列照片中可以看到，人和机器人几乎同时跃到半空中。我们还在机器人脚下放置了一些木头作为障碍物，机器人的控制器能够防止机器人跌倒。

我们的大部分工作还停留在初步阶段，小HERMES无法自由地站立或走动。我们在它背上设置了一根撑杆，防止它前倾。某种程度上，我们想进一步开发这个机器人，让它在实验室里甚至是在户外漫步，就像Cheetah和迷你Cheetah一样（是的，Cheetah也有一个弟弟）。 ━━━━我们接下来需要应对一系列挑战。其中之一是长时间使用BFI或完成精力高度集中的任务后，操作人员会感到精神疲劳。我们的实验表明，同时控制自己的身体和机器人，大脑会很快感到疲劳。这在精细操作任务（比如往杯中倒水）中尤其明显。在连续重复3次实验后，操作人员不得不休息。 解决方案是让操作人员和机器共同承担稳定机器人的责任。如果HERMES执行的任务需要操作人员付出更多有意识的努力，那么操作人员不必保持机器人平衡；自主控制器可以控制机器人平衡。识别这类场景的一个方法是跟踪操作人员的视线。凝视的目光表明这是一项耗费脑力的任务，在此情况下，应当启用自主平衡模式。 系统的另一个障碍是传输延迟，这也是所有远程操作系统面临的障碍。假设你正在远程控制机器人，你的命令和机器人的响应之间有1秒的延迟。你可能仍然能够远程操作，但如果延迟变大，就有可能会失去判断，无法执行操作。我们计划依靠新型无线技术，如5G，来提供低延迟和高通量的传输。 最后，我们想要探索一些大胆的新设计。HERMES和小HERMES是双足机器人，但救援机器人不一定必须是双足式的。四足机器人就一种有潜力的可能性，它能够穿越崎岖的地形，然后用后肢站立来执行操作任务，类似于一些灵长类动物。 我们期望将实验室开发的两类腿式机器人Cheetah和HERMES融合在一起，制造出行动迅速的四足机器人，它们能够自主进入灾难现场，然后变身两足机器人，借用经验丰富的急救人员的技能和反应能力。我们相信，这些技术将帮助紧急救援人员更有效、更安全地开展工作。 期待在不久的将来，机器人能够做到随时待命。