2.3 特种机器人
它们神通广大,无所不能:上九天揽月,下五洋捉鳖,救人于水火,决胜千里之外。
在现实生活中,它们扮演着各种各样的角色,代替人类在恶劣严酷的环境中执行复杂多变的任务。它们是机器人家族中最酷的成员——特种机器人。
1.机器人医生
机器人当医生,为什么不呢?拥有专业医疗知识的机器人,会分析人们身体出现了什么样的问题,应该采取哪些医疗措施以及应该如何康复等。它们也可以取代现代的医疗设备,直接对病灶进行治疗,对症下药。由于不会受到患者情绪波动的影响,机器人医生的出现还会减少很多不必要的医患矛盾。
早在 2011 年,IBM 公司开发的超级计算机“沃森”就介入了医疗领域。通过预先存储的数据信息和人工智能技术,“沃森”可以根据病人的病症和病史给出综合化的诊断意见以及治疗方案。随后,美国保健服务提供商 Wellpoint 公司与 IBM 签署了一项协议,这也是“沃森”获得的第一份工作。它的主要任务是帮助那些护士们完成复杂病例的分类整理工作,同时审查相关的医疗请求。2014 年,德州大学安德森癌症中心采用“沃森”
处理癌症问题。这次沃森被用来对患者的病历和实验室数据进行标准化处理,同时为研究数据的收集和整合提供力所能及的帮助。此外,梅奥诊所、泰国康民国际医院、纽约斯隆—凯特林医院、克利夫兰诊所等也采用“沃森”系统提高其业务水平。
事实上,机器人在医疗领域的应用远远不只这些。传统外科手术不仅需要医生们高超的医术,也需要整个手术团队精准而高效的配合。通常,一台手术结束,医护人员都会筋疲力尽。现在,手术机器人的出现改变了这一切。那些复杂精细的手术操作可以交给机器人完成,医生们只需要轻松操作机器人就好。
目前,全球手术机器人主要分为软组织手术机器人和骨科手术机器人两类。从事软组织手术机器人研发的企业主要有美国计算机运动公司(Computer Motion)、美国直觉外科公司(Intuitive Surgical)、瑞典医疗机器人公司(Medical Robotics)等,从事骨科手术机器人研发的企业主要有以色列 Mazor 公司和我国的天智航医疗科技公司。这几家公司都已经获得了医疗机器人的注册许可证,其产品可以进入医院为广大患者提供服务。
软组织手术机器人的操作对象是心脏、肝、胆、胃等机体软组织,最著名的当属美国直觉外科公司研发的达·芬奇机器人手术系统,如图 2-39 所示。达·芬奇机器人手术系统由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分组成,能以微创法实施复杂的外科手术。临床应用结果表明,利用机器人进行手术具有更高的精确性、更好的操控。表 2-2 比较了传统开放手术、传统腹腔镜手术和达芬奇机器人手术的技术特点。截至 2016 年年底,我国已引进近 40 台达·芬奇机器人手术系统。国内的天津大学也研发出了具有自主知识产权的微创外科手术机器人系统“妙手 S”。目前,“妙手 S”已进入临床试验阶段。
表 2-2 三种外科手术技术特点的比较
骨科手术机器人可以针对各种骨科创伤开展手术治疗。以色列 Mazor 公司研制的脊椎外科手术机器人 Spine Assistant,其装配的辅助定位能解决脊柱微创外科手术中的高精度定位问题。我国天智航医疗科技公司研制的骨科手术机器人(见图 2-40)能处理长骨骨折、股骨颈骨折、骨盆骨折等骨创伤,手术精度可达到 0.8 毫米,使患者减少术中辐射达 70% 以上,提高手术效率达 20% 以上,并可减少术中失血量和组织微创。截至 2016年年底,该骨科机器人已完成两千多例临床手术。
我们再来看看另外一些激动人心的新型医疗机器人。有一种叫做“可重构装配腔内手术系统”的可吞服式机器人(见图 2-41 左图),患者只需要将它们分块吞入腹中,这些机器人就可以自动组装成体。这种技术可以帮助外科医生在不采用腹腔切口的条件下为患者进行手术。此外,还有一种结肠诊疗机器人 Endotics,不需要像常规结肠镜那样伸入患者体内,通过辅助设备自行在肠道内移动(见图 2-41 右图)。这种机器人对肠壁施加的压力较小,从而减轻了患者的痛苦。
还有更神奇的机器人医生。由加拿大蒙特利尔理工大学等机构研发的新型纳米机器人试剂 Micromotor bots(见图 2-42 左图),能够在血液中自由穿梭,可直接将药物注入癌细胞中,实现对肿瘤的“精准打击”。由德国马克斯普朗克研究所开发的微型机器人Mico-scalops(见图 2-42 右图),可以在血液、眼球液以及其他体液中游泳,可用来输送药物,甚至是修复损伤细胞。
未来,机器人技术的持续进步必将不断提高我们的整体医疗水平。让我们期待机器人们尽快在医疗领域大展身手,造福人类。
2.勤劳的农夫
农业生产一直是人类社会延续的基础和保障。在现代农业中,一个非常重要的特征是“精细耕种”。为了充分利用土壤的资源、提高产量,同时将水和化学物质(包括肥料、杀虫剂等)准确地喷洒到农作物上面,需要对耕种、灌溉、灭虫和施肥等环节进行较为精确地控制。这不是一件非常容易的事情。尽管在示范农场内“精细耕种”
取得了不错的效果,但是对于欧洲、北美和亚洲等地众多的大型农场和农业基地来说,完全由人类或者机械化设备进行“精细耕种”困难重重。所以,有农业工程师指出,如果要进行大面积的精耕细作,必须让机器人充当农民,去代替人类更快、更好地完成这项工作。
机器人成为农场里的主角后,不仅承担种植、灌溉、收割等常规性劳作,同时也负责进行温度监控、土壤检测、虫害治理、综合管控等相对复杂的工作。而这些工作以前是由人类完成的。从辨识秧苗、定量灌溉施肥,到用高能激光束清除杂草,再到轻松地收割蔬菜并进行分类,机器人将全部代劳,而人类需要做的只是尽情地享用机器人带来的丰盛果实。
由澳大利亚研究人员研发的放牧机器人(见图 2-43 左上图),能够完全替代牧民和牧羊犬照看牲畜。通过内置的传感器和卫星定位系统,这款机器人能够根据牛群的运动状态来驱赶它们移动。在剑桥大学奶牛场内,有这样一种挤奶机器人(见图 2-43 右上图),无须任何人工操作,就可以完成挤奶的全套工序。同时它还能对奶质进行检查分析。对质量不过关的牛奶,机器人会对其进行抛弃处理;而对那些合格的牛奶,机器人也要把最初挤出的小部分丢掉,以保证牛奶的安全卫生。挤奶机器人还可以采集奶牛的体质状况和泌乳信息,以便工作人员对这些数据进行提取和分析,有效降低奶牛的发病率。农业机器人 BoniRob(见图 2-43 下图),外形与四轮越野车特别相似,可通过光谱成像仪区分植物和土壤状况,以便反复追踪查看每株植物的生长情况,确保它们都长势良好。
未来的农业机器人还能有效降低污染,减少水的使用量。当然,对于普通人来说,最大的变化或许还是耕地的外观。有了机器人的参与,农田就可以被随心所欲地设计成各种造型,果园里则会长满一列列二维形状的树木。整个农业的生态环境都会因为机器人的出现而变得不同。也许那个时候,在农田中或是菜园内,你可以经常看到艺术家们在指挥着机器人完成他们的原生态作品呢。
3.太空漫步者
浩瀚的宇宙总是引发人类的无限遐想。强烈的探索欲,让一代又一代的人们去探索宇宙,畅想星空。随着现代科学技术的飞速发展,科学家们已经把火箭、卫星、航天飞船和空间站送入了太空,甚至派出了像“新视野号”这样的深空探测器前往冥王星进行近距离观测。同样,机器人在太空探险中也大有用武之地,能在航天器、空间站或其他星球上完成各种任务。
在电影《地心引力》当中,主人公所处的空间站被卫星碎片击中,工作中的机械臂随即失去控制,脱离船体。影片中的机械臂就是太空机器人的一种。太空机械臂具备良好的操纵能力和视觉识别效果,能执行空间碎片清理、在轨加注与维修等空间任务,已被广泛应用在航天器和空间站上。在图 2-44 中,太空臂正在转运飞船。
太空车是另一种重要的太空机器人,是人类探索其他星球的重要工具之一。2004 年1 月 3 日,美国宇航局发射的“勇气号”太空车(见图 2-45 左图)在火星表面成功着陆,开始了探测任务。由于火星上的沙尘暴和尘卷风并没有预计的严重,探测器的除尘功能使太阳能帆板的寿命大大延长,为科学考察提供了至关重要的充足电源,因此“勇气号”
的实际考察时间被大大延长。2012 年 8 月,美国宇航局又将“好奇号”太空车(见图 2-45右图)送至火星表面。“好奇号”可以抓取岩石并放入车内进行检测,其成为了发现火星上是否存在有机物的最佳探测工具。此外,“好奇号”还可以在第一时间把现场的影像发回地球。
我国自主研制的月球车“玉兔号”(见图 2-46),配备有全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发 X 射线谱仪等科学探测仪器,不但能够耐受月球表面真空、强辐射、零下 180 摄氏度到零上 150 摄氏度等极端环境,还具备 20 度爬坡、20 厘米越障能力,是帮助我们探测“月宫”的得力助手。
4.海中精灵
深邃的大洋深处,蕴含着丰富的油气、矿产资源,是继太空之后又一个值得我们探索的未知世界。但水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限,我们如何才能到达海底世界呢?别急,水下机器人能够帮到我们。水下机器人也称深潜器,是一种工作于水下的极限作业机器人。自 1953 年第一艘遥控潜水器问世至今,全世界研制了许多水下机器人。特别是 1974 年以后,由于海洋油气业的迅速发展,水下机器人得到了飞速发展。
我国是水下机器人研发的大国。早在 1994 年,我国第一台无缆水下机器人“探索者”(见图 2-47 左图)就成功下水,工作深度达到 1000 米。“探索者”摆脱了与母船间联系的电缆,实现了从有缆向无缆的飞跃。2012 年 7 月,我国自主研发的“蛟龙号”水下机器人(见图 2-47 右图)在马里亚纳海沟创造了下潜 7062 米的中国载人深潜纪录,这也是世界同类作业型潜水器最大下潜深度纪录。“蛟龙号”能够运载科学家和工程技术人员进入深海,在海山、洋脊、盆地和热液喷口等复杂海底环境下进行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学、海洋地球环境和海洋生物等科学考察。
除了各种模样中规中矩的深潜器外,研究人员还开发了一些外形别具一格的水下机器人。由韩国海洋技术研究院研制的机器人 Crabster(见图 2-48 左图),外形像极了一只横冲直撞的大螃蟹,可用于浅海区的水下作业。该机器人装备有摄像机、声呐及声学多普勒流速剖面仪等设备,能帮助研究人员探索神秘的海底世界。Guardian LF1 机器人(见图 2-48 右图)则专门用来对付大西洋中的狮子鱼。作为入侵鱼种,带有剧毒的狮子鱼胃口贪婪,繁殖迅速,少有天敌,已对大西洋的珊瑚礁及沿海旅游业造成了极大威胁,扰乱了当地海洋的生态系统。Guardian LF1 可以潜入水下 400 英尺的深度,击晕并收集十条狮子鱼后,将其带出水面。
5.机甲勇士
从《变形金刚》到《环太平洋》,很多科幻大片都用勇猛的机甲勇士充当主角。在现代战争中,机器人的作用变得越来越重要,许多军事强国也在加紧研发军用机器人。目前来看,军用机器人主要有战斗车和军用无人机两大类型。
战斗车可以通过敌我识别自动实施打击、掩护和突袭等军事任务。美国福斯特 •米勒公司研制的先进作战机器人系统 MAARS(见图 2-49 左图),装配有 40 毫米的高爆榴弹和一挺装载 450 发子弹的 M240B 型机枪,火力惊人。以色列军方发布的Guardium 作战机器人(见图 2-49 右图),装备有摄像机、夜视设备、传感器和机关枪,负重 300 千克,能够按照预先设定的路线在多座城市中独自行驶,替代士兵执行危险任务。
我国研究人员在战斗车领域的研发水平丝毫不逊色于国际同行,研制的单兵无人作战系统配备有履带式底盘、可旋转遥控枪塔、两个用于探测和感知环境的摄像头和一台 13 英寸的平板电脑,如图 2-50 所示。操作者可在 1000 米范围内控制其行走和攻击。
军用无人机被称为重塑 21 世纪作战模式的利器。许多军事强国都将军用无人机作为武器库中的“撒手锏”。世界上较为先进的军用无人机包括美国的“捕食者”和X-47B 等(见 图 2-51)。“捕食者”的最大活动半径为 3700 千 米,最大飞行时速为240 千米,最大续航时间为 60 小时,装有光电 / 红外侦察设备、GPS 导航设备和具有全天候侦察能力的合成孔径雷达,在 4000 米高空对地面的分辨率为 0.3 米,对目标定位精度为 0.25 米,可发射两枚 AGM-114 地狱火导弹。X-47B 无人机拥有 800 海里的作战半径,可以在航母上自动起降,并有自主空中加油能力。它的最大优势在于隐身突防,优异的雷达系统和红外低可探测性能保证其突破敌方防空圈,为后续有人驾驶作战飞机打开通路。
我国在军用无人机领域也走在了世界前列,最具代表性的当属“翼龙”无人机,如图 2-52 所示。该款无人机航程可达 4000 千米,可以飞达海拔 5300 米高处,可携带各种侦察、激光照射 / 测距、电子对抗设备及小型空地打击武器。“翼龙”可执行监视、侦查及对地攻击等任务,还可广泛应用于灾情监视、缉私查毒、环境保护、大气研究、地质勘探、气象观测、大地测量、农药喷洒和森林防火等领域。
随着军用机器人的大量应用,未来战争将在形式上发生根本变化。如果说现代战争是电子战、信息战的话,那么未来战争就是机器人的战争。对单兵作战来说,机器人系统可以代替人类去执行某些无法完成的危险任务。而对于集群作战而言,机器人可以利用数量和速度方面的优势进行压迫式打击。同时,机器人作战集群拥有良好的情报处理和应急反应能力,能够去执行某些颠覆性和破坏性的军事行动。
但值得注意的是,人类需要学会真正驯服未来战场的机器人士兵。美国海军研究室在研究报告《自动机器人的危险、道德以及设计》中,明确警告军方慎用机器人作战,建议为军用机器人制定严格的设计标准和使用限制,避免出现《终结者》电影中那样的恐怖场景。对于未来的军用机器人,设计者们应该既能使其杀敌立功,又要防止其反戈一击。军用机器人的研发既要有技术领域的突破,也要配合有战术战法的升级。同时针对军用机器人展开有效的组织和科学的训练。只要充分发挥了军用机器人的优势特点,人类的血肉之躯就有可能完全退出未来战场。拥有机器人武装的人类军队,就不会出现《变形金刚》电影中面对外族入侵无力反击,只能依靠救世主的场景了。
6.安全卫士
一旦发生了火灾、地震,救援人员总是第一个冲入现场营救伤员。但人类的血肉之躯,在灾害面前还是显得渺小无助,我们迫切需要能够出生入死的坚强伙伴。安防机器人的出现解决了这个难题。它们可以代替我们在消防救护、灾难救援、安全巡逻等危险场合完成特殊的任务,让救援人员无须用生命去冒险。
火场紧急,时间就是生命。在充满易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等各种危险因素的火灾现场,消防机器人可以在第一时间进入现场进行数据采集、处理、反馈等一系列工作。弗吉尼亚理工学院为美国海军设计的消防机器人 CHARLI-2(见图 2-53 左图),具备使用消防软管、投掷灭火器手榴弹、攀爬梯子等功能。它不仅是一位“救火勇士”,还是一个活泼的演员,可以跳流行的“江南 Style”舞蹈。美国的 InRob Tech 公司研发的消防机器人 FFR-1(见图 2-53 右图),自带推进电池和两个 CCD 视频摄像机,还可以爬30 度的陡坡,并能跨越 20 厘米高的障碍物。此外,FFR-1 机器人在高温环境中具有顽强的生命力,它的冷却系统能让自己在 6000 摄氏度的高温环境下工作,保证其从事救援工作时的稳定状态。我国在消防机器人的研发生产上也紧跟世界先进水平,陆续推出了许多实用产品。
救援机器人需要较强的机动能力和适应能力,能在地震、煤矿等危险环境中开展救援活动。图 2-54 展示了由沈阳新松研制的履带式行走结构井下探测救援机器人。它具有一定的越障能力和较高的防水与防爆等级,同时配备了井下有毒气体、压力、温度等检测设备,可对现场危险气体进行检查,以确保救援人员安全。此外,机器人携带的光学监视装置能查看井下巷道的破坏情况,并通过无线或有线网络传输实时的视频图像,帮助救援人员及时了解现场情况。
对一些存在隐患的场所,定期检查可以防患于未然,巡检机器人正是处理这些问题的好帮手。ReconRobotics 公司研发的抛式侦查机器人 Throwbot XT,大小和一个啤酒罐差不多,如图 2-55 所示。使用者可以将其扔进窗子里或屋顶上,然后通过遥控器控制机器人四处滚动侦察情况。手持式遥控器上面有一块屏幕,可以显示 Throwbot XT 上摄像头实时拍摄的情况。这种机器人可以应用在一些人员不便查看的场所,如狭窄空间和危险地带。
7.机器动物
仿生学是一门新兴的交叉学科。我们身边有很多仿生学应用的成功范例,例如雷达的发明,就是借鉴了蝙蝠的回声定位功能。如今,通过向动物们虚心“学习”,机器人可以更好地为人类提供服务。下面就来看一下这些仿生机器人到底有哪些神奇的本领。
仿生机器鱼是指外形酷似鱼类,能像鱼一样在水中游动的机器人。相比于传统水下机器人,机器鱼更加灵活,可广泛应用于水下环境检测、港口监控、搜救行动、人道主义排雷、海岸安全、渔业管理、反恐行动和军事行动等领域。2004 年,北京航空航天大学和中科院自动化所共同研制出了国内首台仿生机器鱼“ SPC- Ⅱ”,如图 2-56 左图所示,可用于水质检测等多个作业领域。2013 年,欧洲 FILOSE 研发团队开发出一款可感应水下流速的机器鱼。经过在实验室流体动力学流罐中的反复试验和优化设计,这条机器鱼可以在急速变化的水流或是涡流中保持类似虹鳟鱼前行的姿态。美国密歇根州立大学开发的机器鱼(见图 2-56 右图),采用了滑动方式,相比于传统拍打尾部游动的机器鱼更节省能源。这条机器鱼可以在水中长时间滑行,收集水质信息用于科学研究和监测。
仿生机器鸟是一种外形酷似鸟的飞行器,可以在空中滑翔、俯冲或者急速扇动翅膀,鸟类的所有动作,机器鸟都能完成。来自荷兰的设计师开发出了一款机器猛禽,无论外观,还是飞翔姿态,都和真的猛禽一模一样,如图 2-57 左图所示。这款被称作“ Robirds”的机器猛禽可以在一些饱受鸟类滋扰的区域驱散各种鸟类。其原理是鸟类会通过猛禽的轮廓、翅膀以及飞行状态来识别出掠食者,一旦看到“ Robirds”就会选择离开。德国 Festo 公司研制出一款机器鸟,不仅能够完美模拟鸟类飞行,同时也极为逼真,令人难辨真伪,如图 2-57 右图所示。这款名为“SmartBird”的机器鸟能够自动起飞、飞行和降落。其翅膀不仅可以上下拍打,同时也能按特定角度扭动,为这一超轻机器鸟赋予了良好的空气动力性能和敏捷度。“Robirds”和“SmartBird”简直就是“公输子为鹊”
典故的现代版!
仿生机器昆虫,可能是仿生机器人家族中种类最为繁多的一族了。
美国斯坦福大学于 2015 年研制出一种装有“变形翅膀”的飞行机器人,如图 2-58左图所示。其翅膀用碳纤维和聚酯薄膜打造而成,每个翅膀上都装有 3D 打印的腕关节控制装置。该机器人可以轻松穿过树枝等障碍物,并可在意外冲撞后迅速恢复飞行。德国Festo 公司研制的机器蝴蝶“ Motion”,看上去很像一只只真实的蝴蝶,如图 2-58 右图所示。这些机器蝴蝶每秒可飞行 2.5 米,每次充电后能持续飞行 3 ~ 4 分钟。它们身上还装配了红外传感器,可避免在飞行过程中互相碰撞。
现实中,很多昆虫具有高超的爬行能力和惊人的托举力量。如果能让机器人也具备昆虫的这些特点和优势,那该多好啊!美国波士顿动力公司和桑迪亚国家实验室联合研制了一款微型跳跃机器人——“沙蚤”,如图 2-59 左图所示。“沙蚤”大小类似鞋盒,最高可跳跃 9 米,可移动迅速,能独立越过壕沟和障碍。“沙蚤”装有一部摄像机和操作控制单元,使用者能通过掌上电脑控制它跨越栅栏,侦察目标区域,并通过图像接口接收视频图像或高分辨率照片。斯坦福大学研究人员研发的微型机器人“ MicroTugs”,只有弹珠大小,却是一个超级大力士,如图 2-59 右图所示。它可以水平拉动比自身重 2000倍的物体,或者拉着 100 倍于自己体重的物体竖直爬行。这款机器人可以用来组建一支微型运输大军,完成特殊使命。
德国工程师设计的机器蚂蚁,头部装有芯片,六只脚和嘴上的钳子是陶瓷元件,其他部分则由塑料制成,如图 2-60 左图所示。每只机器蚂蚁具有独立的决策能力,亦可与其他蚂蚁协作完成某项任务。俄罗斯康德大学研究人员研制的机器蟑螂,每秒可爬行 30厘米,装有光敏传感器、微型摄像机和监听器,能够扫描室内环境,探测周围物体,如图 2-60 右图所示。
相比于其他结构的机器人,四足仿生机器人的移动速度较快,同时具备良好的平衡性。美国波士顿动力公司研发的四足仿生机器人最为出名,包括“大狗”“小狗”和“猎豹”
等。“大狗”全身安装有 50 个传感器,能实现站立、下蹲、爬行、小跑以及快速跳跃前进等动作,其如图 2-61 左图所示。它在平坦地形条件下能携带 154 千克的物资,以最快7 千米 / 小时的速度移动。实验测试中其跳跃前进的最大速度可达 11 千米 / 小时。“小狗”
机器人作为“大狗”的迷你版本,功能却没有缩水太多,如图 2-61 右图所示,该机器人每条腿上有三个驱动电机,具有较大的移动范围,能够进行爬坡和动力学运动步态的调整。
“猎豹”机器人具有极佳的机动性,是目前世界上速度最快的四足机器人,如图 2-62左图所示。“猎豹”拥有关节式脊椎骨、铰接式头颈结构、四条腿和一条尾巴,能迅速加速、减速以及停止运动,还能在奔跑中急转弯,做 Z 形运动,以追捕和逃避追捕。铰接式背部结构使其能像动物一样每迈一步就做一次收缩与伸张运动,有效增加了它的步幅和奔跑速度。目前,“猎豹”机器人由外置液压泵提供动力,最快奔跑速度已达 46 千米 /小时。
德国 Festo 公司在 2014 年推出了一款仿生袋鼠机器人,精确复制了自然袋鼠的大多数典型特征,可以像一只真正的袋鼠那样不停地跳跃,如图 2-62 右图所示。它垂直跳跃高度可达 0.4 米,水平跳跃距离可达 0.8 米。袋鼠机器人的动力来自一个储存有高压空气
的小型储罐,通过一根弹簧完成肌腱的运动功能。通过驱动器、控制技术和能量迁移技术,它可从跳跃时的每一个运作中有效恢复能量,从而完成下一次跳跃,形成连续动作。
机器袋鼠在运动过程中应用到的能量产生、存储和再利用技术,对机器人技术的发展都有着非常强的指导意义。
以上这些神奇的机器人,已经足够让我们感到震撼。那么,机器人技术的未来在哪里?可以肯定的是,机器人的应用领域会不断得到拓展,机器人家族定将“枝繁叶茂”。
未来的机器人还将演变成什么样子,它们又将带给我们哪些惊喜呢?
本书评论