从人到蜘蛛,机器人的进化才刚上路呢

新创

2017-04-29 11:11

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编者按:研究表明,机器人比人类更易患上关节炎。

马文、T-1000、大白、C-3PO、查派、擎天柱、Roy Battey,细数科幻电影中的经典机器人,无一例外都是人形。身体里明明没有血液流淌、脉搏跳动,生为金属,却要委身于一种直立行走、神经元电位为基础的两脚兽,可谓宇宙奇观。

人形是机器人最合理的形态吗?摆脱仿生学限制,完美的机器人又会是什么样子?也许身为机械的尊严,便是有一天不用再委身于人的限制吧。

曾有很长一段时间,我把所有有着银色金属人的科幻电影,都拉进了黑名单。

诚然,每个中二少年少女心中都藏有一台钢铁巨人,在奔涌的幻想中,你穿着水手服,驾驶它大战四方;或者,你化身银色义体,手埋管线脑植芯片,手肘关节转动,咔嚓一响露出远程迫击炮,上演机械傀儡谣。

二足四肢、直立行走的机械是人类的集体梦境,连卡梅隆也曾梦到被一台人形机器人追杀,惊醒后,这个梦成为了《终结者》的雏形。人类迷恋于自身投影,以至于扫地的机器小圆饼普及至今,我们依旧沉浸于前者,不愿醒来。但,人形是不是最合理的机器形态?答案恐怕很久以前就是否定的。

人形机器人的末日:是谁把机械困在人的壳子里?

Android,似人自动机,由希腊语词根 andro-(人)与 -eides(外形)组成。历史中,android 一词出现的次数极少,直到 19 世纪才逐渐出现在科幻小说里。和 robot(自动机械)、 cyborg (半机械人)不同, android 通常被定义为一种外表上与人类极度相似的个体,有时甚至是活生生的血肉之躯。

人形机械这股“歪风邪气”最早是谁带起的,已经模糊不可查。但可以肯定,《弗兰肯斯坦》问世 68 年后,法国科幻小说家 Villers de Lisie-Adam 在《未来的夏娃》中,将外表像人的机器起名为 android。机器由 4 部分组成:

生命系统:平衡、步行、发声、感觉、表情、运动调节等

造型解质:关节能自由运动的金属覆盖体,一种盔甲

肌肉:上述盔甲上的肌腱、静脉、性别器官等有机形态

人造皮肤:肤色、轮廓、头发、视觉、牙齿等

这些设定是《攻壳机动队》的灵感来源,但也奠定了人形机器的致命弱点。

首先,完美的生命系统和造型解质,在现实技术条件下遥不可及。如何用算法、传感器、液压管和雷达互相配合,模仿人体的平衡系统?科学家至今苦手。人类目前发明的平衡算法共有 4 种,最好的算法,仅能使波士顿动力的 Atlas 承受普通力道的推搡,勉强站稳。

平衡不解决,高达和变形金刚,其实是一发炮弹就能掀翻的战五渣。更别提刚性机械模仿柔韧人体,要消耗巨大能量。抬起手臂、瞄准、扣动扳机,看似简单的动作,每一步都要牵动大量肌肉、关节。人体 200  多块骨骼,100 多处关节,就连基本的直立行走都需要脚面、脚掌、脚踝、脚跟、小腿、膝盖、大腿、髋骨、脊椎、肩胛、手臂等无间配合,此时,一台正在近身肉搏的人形机器,得牵动几个部件、背负多大的电池,才能撑到把敌人打倒?

哆啦 A 梦这种死宅,体内还埋了一个原子炉呢。

重心不稳、能耗巨大,牺牲稳定性换取灵活性,导致人形机器人无论在战场还是生活中,都容易成为活靶子。高达粉承认扎古没有任何使用价值,都是业界心照不宣的事实。

同时,让硅基生命模仿碳基生命,给机械赋予肌肉和皮肤,结果就是维护成本极高。科幻片对机器人仿人追求过度,导致本来一具骨架子就能完成的工作,为了美观,非要层层包装。《攻壳机动队》里,少佐每出一次任务,就得在手术室躺上半天,3D 打印机械臂慢工细活,一层一层修复脏器和皮肤,但凡徒手拆一次高达,整个义体就要报废重换。

少佐工资不低,但别忘了,《攻壳机动队》里还有很多老人死于没钱更换高级义体,更有人因为机体受损的丑陋外表,横遭排挤。都变成机器了,还要靠外表活着,简直耻辱。

科幻电影对类人机器人的迷恋,原因有很多,除了好造型、有共情、在复杂环境下与人互动,其余的原因格外简单:比如,特效简单,如《银翼杀手》,找个真人演就完了;或者,好卖手办,你看至今依旧占领秋叶原的高达系列。

在深层次上,这种出于造物主自恋和宗教情结的骄傲心理,导致机械形象在奇行种的道路上一去不返,进而堕入恐怖谷的深渊。如果你盯着波士顿动力的 Petman,和攻壳里的傀儡人,先是哈哈大笑,而后脊背发凉,便验证了这个理论:

任凭高达再怎么代表少年热血,你还是没法容忍机器人像你一样灵活。

接下来,是塔奇克马的天下?

既然我们需要一种强大、灵活、稳定的泛用型机器人,它既像高达那样能近身肉搏,又可像瑞秋那样会弹钢琴,应对复杂的工序和环境,使用各种人类工具,外观强壮又不吓人,一个答案躺在眼前:多足机器人。

哦放错了,是这张。

长有三只脚的机器人最早出现在克拉克 1972 年的《与拉玛相会》里。作为外星来客,它们从天而降,克拉克如此描写它们的形态和运动方式:

十米外有一个细长的三脚架支承着一个像篮球大小的身体,身上有三只大而无表情的眼睛,很明显它有 360°的视角。每只眼睛下面都拖着一条鞭状的触须。那东西并不比人高,脆弱的体形也不像有危险性……它动得极快,以一种不寻常的旋转动作,使得人的眼睛和心理都难以追随。这家伙轮流将一只脚做支点来转动整个身体……它的速度很难估计,但每小时至少也有三十千米。

科学家把它们剖开,发现它们类似于机械和生物结合的 cyborg。这种章鱼形象成为无数科幻片的参照,2005 年汤姆克鲁斯主演的《世界大战》中,一种巨大三足怪物横行地球,看似是巨大化八爪鱼,其实是能发射射线的纯机械。

渐渐地,三足变成四足。在《攻壳机动队》里,塔奇克马作为泛用型城市近战武器,优点不言而喻。四足机器人在复杂地形中如履平地,突入废弃仓库,在水渠纵横的立体空间里爬上爬下。塔奇克马仿蜘蛛设计,初代肢体末端是滚轮,第二代升级版变成钢爪,抓地性更牢,两只前足则搭载机枪、绳索、钩爪等使用工具,背后的圆筒可以载人,闲时还能出门遛遛孩子。

四足的塔奇克马一经问世,又成为无数科幻经典的参考。电影版《攻壳机动队》里,维塔工作室设计的艺伎机器人充分参考这种形态,一旦遭遇攻击,身体由颈部 90°后折,四肢改变角度,形态接近蜘蛛,外观甚是恐怖,但极度灵活,枪林弹雨中,还能拖着人质躲过少佐第一波攻击。

贰瓶勉的赛博朋克漫画《Blame!》中,被硅基生物主宰的宇宙空间,也出现了大量这种四肢爬行的人型机械,成群结队,所到之处有如蝗虫过境。

《黑客帝国》中,Matrix 帝国制造的机器是多爪的巨乌贼。电影的设计者曾说,昆虫是最合理的生物形态,所以尼奥进入帝国首都时,面对的是一群爬来爬去的机器。

稍稍回顾进化史,地球上最长寿的生物始终是虫子,其独特的身体结构支持着它们在地球上存活了近亿年之久,是高度适应地球环境的产物。昆虫状的多足机器人可以跪下、站起、跨越障碍、攀爬、跳跃、抓取,虽然没有轮子跑得快,但弥补了轮式、履带式机器人无法进出垂直空间的缺陷,以及球形机器人无法复杂操作的遗憾,又有二足机器人无法比拟的稳定重心,在复杂空间、灵巧度上,综合性能最为出色。

我怀疑,就连 Space dandy 里的吸尘器 QT,也比多数强大的双足机器人泛用性更广。QT 能手脚并用地快速穿过巨型垃圾填埋场,擎天柱在这里,只能绊跟头。

不过,多足机器人,就是机械进化链的终结了吗?

对不起,关节炎又犯了

“多足机器人的困境,也许才刚刚开始。”Google 放弃收购波士顿动力时,给出了这样的理由,无疑给可爱的塔奇克马来了当头一棒。机器人是个构成十分复杂的智能体,组成部分包括动力模块、执行机构、传感部分等很多方面,其中最要命的,是关节。

关节是机器人的阿喀琉斯之踵。虽然有着很高的自由度,几乎适合任何轨迹或角度的工作,但目前机械关节多使用液压元件,编程和计算机模拟过程的时间耗费长,易损耗。就算单说机械结构,机器人的关节也承受着大多数能量冲击,比起人类,他们更容易患上关节炎。

把桌上的塔奇克马手办反过来数一下,几条腿上至少 10 处球形关节,大战一场,其损耗度和脆弱性可想而知。

当然,机械关节除了球形,还有轴型。轴承可以替代球状关节,但轴承除了有旋转死角,还更易松动。迪士尼动画片《星银岛》里,赛博格老爹 Silva 就是吃了轴状关节的亏,关键时刻螺丝松动,腿病发作。这种机器的运行体验,就像刚买 3 天的任天堂 3DS 游戏机:老板,松轴了啊,换一台。

关节损耗不解决,高级 AI 塔奇克马的晚年,很可能像原作一样,调去建筑工地搬砖,或者在医院楼顶晒床单。反观科幻史上寥寥无几的非生物型机器人,倒是一个比一个活得长久。HAL9000 瞪着无辜的圆眼睛,熬过千年时光,TARS 优雅如同快银,坏了擦擦重启还能用,Samantha 甜美的声线将你包裹,而她根本没有实体,灵魂在网络中永生。

这些“机器人”多半只能专用而不是泛用,但在形态上却给出了很多启发。现实中,世界各地的尖端机器人研发团队如 CMU、MIT,都存在着大量怎么看都不像生物的东西。

形态计算研究表明,具备强大计算能力的身体表现出高度灵活的动力学。在大多数传统的机器人设计中,比如 Asimo 和 Atlas,这些属性被刻意压制为通过建模控制的机械动力。

有些业内人士认为,软体机器人比刚性机器人拥有更强大的能力,不亚于液态金属。一旦摆脱刚性的机体,许多机器人都可通过“生物如何利用身体完成基本动作”的思考制造出来,比如欧盟项目 ODTOPUS 中的被动硅胶手臂(灵感来自于章鱼,可以用于进行复杂的计算任务),再如《超能陆战队》里的软胖又万能的大白(●—●)

目前,这种设计思路被称为“形态计算”,它建议,某些机械部件的控制(例如行走或抓取),完全可以外包给身体,因为这些功能已经“编码”在身体中。把身体看作是可以利用的计算资源,使任务变得更容易,机器人被公认为缺点的复杂性,变成了强大的优质。

“他们不用造船,他们自己就是船。”克拉克如此描绘高等智慧。美国航空航天局的无尺寸限制结构机器人 Super Ball Bot,已经用于行星探测,他们随时可以自我组装、拆解甚至毁灭。机器人仿生,也许本来就是错误的路。

话说回来,人类虽然弱鸡,但是自然进化千万年已经非常合理,而人类的造物,成长之路还很漫长。在研究机械形态进化的道路上,理解我们的缺点,会让我们更理解自己的了不起。

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