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????新一代工業(yè)機(jī)器人能給船體除漆，檢查地下煤氣管道，穿越無(wú)人沙漠，甚至可以修剪你的高爾夫球場(chǎng)

????作者：Stuart F. Brown

????上個(gè)世紀(jì) 80 年代，第一次工業(yè)機(jī)器人浪潮最早出現(xiàn)在工廠。它們大多數(shù)都是固定作業(yè)的，外觀跟手臂類似，常被派去干那些所謂的“三D工作”─乏味、骯臟或危險(xiǎn)的事情，比如把晶片插進(jìn)電路板、噴漆或者焊接之類的活兒。在這些小發(fā)明旁邊干活的工人們久而久之習(xí)慣于把它們僅僅當(dāng)成是機(jī)械工具，而不是多少也有點(diǎn)自主行動(dòng)能力的自動(dòng)化裝置。

????不過(guò)，機(jī)器人的世界也發(fā)生著迅捷的變化。隨著電腦運(yùn)算能力飛速提高、價(jià)格急劇下降以及全球定位系統(tǒng)（GPS）等導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)已遍布全球。除了干好那些用傳輸帶送到面前的活兒之外，活動(dòng)機(jī)器人還可以到任何需要的地方去工作。

????消費(fèi)者已經(jīng)開(kāi)始熱衷于用機(jī)器人來(lái)給地板除塵和修剪草坪。同時(shí)，大學(xué)里的研究人員正在開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的機(jī)器人，它們不僅可以做“三 D 工作”，而且可以完成那些需要具備出色獨(dú)立決策能力的工作，如檢查地下天然氣管道，在無(wú)人駕駛的情況下穿越崎嶇的沙漠地帶，甚至行走在水面上檢驗(yàn)污染物。為了一睹目前活動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展情況，《財(cái)富》雜志派人參觀了位于匹茲堡的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機(jī)器人學(xué)院，那是個(gè)奇思異想層出不窮的地方。

????越野勇士

????卡內(nèi)基梅隆大學(xué)野外機(jī)器人中心創(chuàng)立者雷德?惠塔克（Red Whittaker）是個(gè)充滿活力、滿腦子追求成功的家伙，他從 1984 年就開(kāi)始研究能夠在極端環(huán)境下工作的活動(dòng)機(jī)器人。他現(xiàn)在的心思都放在了“無(wú)人駕駛沙漠賽車”上。他的“雷德之隊(duì)”（Red Team）正竭盡全力備戰(zhàn)五角大樓的第二屆“大挑戰(zhàn)”賽事，這是一項(xiàng)由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）贊助的穿越莫哈韋沙漠的機(jī)器人駕車比賽。

????去年 3 月，“雷德之隊(duì)”在參加第一屆 DARPA“大挑戰(zhàn)”時(shí)使用了一輛經(jīng)改裝后由機(jī)器人控制的多功能軍用輪型車（Humvee），1986 年產(chǎn)，綽號(hào)“沙漠風(fēng)暴”。這輛老爺車只在沙漠里行駛了 7.4 英里，就失去了牽引，陷進(jìn)起伏不平的沙地里動(dòng)彈不得。雖然“雷德之隊(duì)”的車走得比其它 12 個(gè)參賽者都要遠(yuǎn)，但他們還是沒(méi)能獲得 DARPA 的百萬(wàn)大獎(jiǎng)。這次惠塔克勢(shì)在必得。2004 年 10 月 8 日，“雷德之隊(duì)”將派兩輛機(jī)器人駕駛的悍馬（Hummer）參加第二屆“大挑戰(zhàn)”比賽: “沙漠風(fēng)暴”和別名“陸地巡洋艦”的新款民用悍馬。每輛車內(nèi)均裝有電腦、傳感器、激光掃描儀和其它設(shè)備，使得它們能夠在無(wú)人監(jiān)控的情況下在沙漠地帶行駛?！瓣懙匮惭笈灐眱?nèi)的新型超穩(wěn)定傳感器平臺(tái)，可以使它能在崎嶇的地形行駛，與獵豹在大草原上追逐獵物飛奔時(shí)仍能保 持頭部相對(duì)靜止的原理同出一轍。

????兩輛車對(duì)工程學(xué)提出了截然不同的挑戰(zhàn)?！叭绻阋獙⒁惠v老式悍馬自動(dòng)化，那么你應(yīng)該重在改進(jìn)推動(dòng)油門(mén)踏板和連接部件的氣缸，因?yàn)槟愕目刂品绞绞菣C(jī)械化的，”惠塔克解釋道?！岸滦秃否R的引擎、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和剎車都是電子控制的，這樣我們只要開(kāi)發(fā)控制車輛的軟件就行了。”

????這回 DARPA 把獎(jiǎng)金提高到了兩百萬(wàn)美元，以吸引眾多發(fā)明天才參賽。美國(guó)軍方也翹首以待有誰(shuí)能研制出無(wú)人駕駛的車輛。如果“大挑戰(zhàn)”賽事能誕生一輛具有實(shí)際操作性的自動(dòng)化卡車的話，DARPA 將獲得驚人的投資回報(bào)。

????大賽開(kāi)始前幾天，被選中參加本年賽事的 20 支隊(duì)伍將接到通知趕赴位于美國(guó)西南部的比賽起點(diǎn)，全長(zhǎng) 175 英里的比賽路線將在出發(fā)前幾小時(shí)才揭曉。自動(dòng)化車輛必須在 10 個(gè)小時(shí)內(nèi)行駛完全程，才有機(jī)會(huì)贏得比賽的勝利。

????惠塔克非常善于招募學(xué)生志愿者來(lái)協(xié)助做賽前準(zhǔn)備，過(guò)去幾個(gè)月里他們都在忙著編輯加利福尼亞、內(nèi)華達(dá)和新墨西哥等地大片沙漠的電子地圖。他們搜集來(lái)自免費(fèi)和付費(fèi)渠道的航空數(shù)據(jù)，并且結(jié)合個(gè)人自駕車在沙漠中行駛獲得的信息。“這是我們?cè)?2005 年的秘密武器，”惠塔克透露?！拔覀兛偣矃R集了數(shù)萬(wàn)兆字節(jié)的地理數(shù)據(jù)，所以制定比賽計(jì)劃再也不需要仰賴 MapQuest（提供在線街道搜尋服務(wù)的公司─譯注）了?！?/p>

????濕乎乎的工作

????剝除船體舊漆的傳統(tǒng)方法是豎起一個(gè)腳手架，讓一群工人用高壓噴射深紅色粗砂來(lái)沖刷船體。這是一項(xiàng)又臟又危險(xiǎn)的工作。不但工人們有從腳手架上失足跌落的危險(xiǎn)，而且在此過(guò)程中有毒灰塵也會(huì)紛紛落下。為了改善這項(xiàng)工作的環(huán)境，位于佛羅里達(dá)州斯圖爾特的自動(dòng)化船體清潔設(shè)備開(kāi)發(fā)商 Ultrastrip Systems 開(kāi)發(fā)出了帶有真空軟管的高水壓噴嘴，刮下的漆和產(chǎn)生的污水也可以通過(guò)軟管進(jìn)入過(guò)濾和處理流程。但是，這種設(shè)備的銷路并不太好，因?yàn)樗ぷ鞯乃俣戎挥写稚皼_刷的一半。

????為了減少工作量，Ultrastrip 決定將這項(xiàng)工作自動(dòng)化，開(kāi)發(fā)一個(gè)自動(dòng)除漆噴頭。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人專家?guī)椭摴鹃_(kāi)發(fā)了 M3500 型除漆機(jī)器人，它不但能在可旋轉(zhuǎn)的橡膠輪上移動(dòng)，其獨(dú)特的永磁材質(zhì)還可以讓其牢牢吸附于船體上。

????實(shí)踐證明，要給機(jī)器人安裝可視系統(tǒng)，從而使它具有獨(dú)立行動(dòng)能力，頗具難度。所以這一裝置是由一名工人通過(guò)控制桿來(lái)操作的。旋轉(zhuǎn)噴嘴噴出的水柱壓力高達(dá)每平方英寸 50,000 磅。（兩根纜繩為在船體上工作的機(jī)器人提供輔助安全支撐。）可以通過(guò)上下調(diào)節(jié)來(lái)避免噴嘴碰到焊縫或其它障礙。強(qiáng)大的水流沖擊船體后，使表面升溫，這樣已清洗的部分很快就會(huì)變干。

????Ultrastrip 的首席執(zhí)行官斯蒂芬?詹森（Stephen Johnson）宣稱: “一個(gè)機(jī)器人干起活來(lái)能頂 10 個(gè)工人，而且質(zhì)量要比用粗砂沖刷還來(lái)得好?！?/p>

????詹森介紹，Ultrastrip 已經(jīng)銷售了七套這樣的設(shè)備，售價(jià)為每套 80 萬(wàn)美元。Ultrastrip 的機(jī)器人幫嘉年華郵輪（Carnival Cruise Lines）保持整潔的外觀。美國(guó)海軍的一艘導(dǎo)彈驅(qū)逐艦科爾號(hào)（Cole）2000 年在也門(mén)亞丁遭恐怖襲擊破壞后，Ultrastrip 的機(jī)器人亦曾受雇為它整飭。自動(dòng)剪草消費(fèi)者最終會(huì)希望得到完全自動(dòng)化的產(chǎn)品，對(duì)這一點(diǎn)你應(yīng)該已有了初步認(rèn)識(shí)。景觀維護(hù)設(shè)備制造商 Toro 公司預(yù)測(cè)，消費(fèi)者對(duì)自動(dòng)剪草機(jī)的需求潛力很大?！皬目萍嫉陌l(fā)展速度來(lái)看，我們認(rèn)為機(jī)器人用不了多久就能修剪高爾夫球場(chǎng)了，”首席執(zhí)行官肯德里克?梅爾羅斯（Kendrick Melrose）很有信心?！拔覀?cè)谘芯亢烷_(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)考慮的是十年至二十年內(nèi)我們行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。很顯然，消費(fèi)者需要的是更少的勞力支出?！?/p>

????Toro 公司的高級(jí)園林技術(shù)中心一直在醞釀未來(lái)的計(jì)劃，該中心由機(jī)械工程師黛納?勞恩（Dana Lonn）領(lǐng)導(dǎo)。幾年前，勞恩曾請(qǐng)包括助理研究教授桑吉夫?辛格（Sanjiv Singh）在內(nèi)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)科學(xué)家?guī)椭_(kāi)發(fā)具有先進(jìn)可視和導(dǎo)航能力的自動(dòng)剪草機(jī)。他們選擇進(jìn)行自動(dòng)化的是 Toro 公司的 3500D 型旋刀剪草機(jī)，該款重型剪草機(jī)主要應(yīng)用于高爾夫球場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地。

????勞恩認(rèn)為，自動(dòng)草坪剪草機(jī)的研發(fā)面臨兩個(gè)根本性的難題。一是精確定位（知道自己在哪里），二是探測(cè)障礙物（這樣才不會(huì)撞到東西）。Toro 的原型機(jī)如果安上比較便宜的 GPS 接收器的話，在開(kāi)闊草地和平地上的導(dǎo)航非常輕松，但當(dāng)它在伸展開(kāi)來(lái)的樹(shù)枝或在其它障礙物下面行駛的時(shí)候，它就無(wú)法持續(xù)接收到 GPS 衛(wèi)星信號(hào)。

????在這種情況下，剪草機(jī)需要輔助導(dǎo)航設(shè)備才能繼續(xù)按既定路線前進(jìn)?？尚械慕鉀Q辦法之一是采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，即 INS，利用多個(gè)回轉(zhuǎn)儀作為傳感器來(lái)定位。很多飛機(jī)目前都使用昂貴的 INS 系統(tǒng)。不過(guò)，快速發(fā)展的硅質(zhì)微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的市場(chǎng)以其成本低廉而更受工程師們青睞。小巧便宜的 MEMS 回轉(zhuǎn)儀現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。GPS 生產(chǎn)商也正想方設(shè)法將其用于低成本的 INS 類產(chǎn)品上。

????另外一個(gè)辦法是在剪草機(jī)上安裝激光系統(tǒng)，將射到修剪范圍內(nèi)的反射體上的光彈回，再通過(guò)數(shù)學(xué)三角分割計(jì)算（這同樣應(yīng)用在 GPS 系統(tǒng)上），當(dāng)剪草機(jī)的 GPS 天線無(wú)法接收信號(hào)時(shí)，激光系統(tǒng)就能接過(guò)導(dǎo)航的任務(wù)。不過(guò)，不管用何種方法，勞恩都認(rèn)為導(dǎo)航問(wèn)題很快就能得到解決。設(shè)計(jì)可靠的視頻探視系統(tǒng)則是另一個(gè)完全不同的難題。機(jī)器人剪草最基本的判斷原則是什么呢？綠色的就是好的。“我們的想法是，如果機(jī)器人碰到的東西是好的，那么它們通常都是綠的，”勞恩解釋說(shuō)?！岸绻粋€(gè)物體不是綠色的，那么我們就需要再湊近看仔細(xì)一點(diǎn)。”但是，綠色的東西也分很多種形態(tài)和質(zhì)地: 你怎么也不會(huì)樂(lè)意看到自己的剪草機(jī)在修剪航路旁的綠化帶，或是俱樂(lè)部會(huì)所門(mén)前的阿斯特羅草皮（Astroturf）。

????Toro 的剪草機(jī)還能看到像高爾夫球那么大的物體。由于普通攝像頭會(huì)受到太陽(yáng)光角度和露珠反射光的不利影響，所以研究專家嘗試將工業(yè)用激光掃描器放置在一個(gè)平臺(tái)上，就像探照燈那樣可以左右掃動(dòng)。激光掃描器非常昂貴，但在慢速下辨別障礙的效果很好。既然眼下消費(fèi)者對(duì)快速剪草機(jī)的需求源自降低人力成本的考慮，那么自動(dòng)剪草機(jī)的速度就不那么要緊了。“當(dāng)機(jī)器可以無(wú)人操控時(shí)，它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值就是另一回事了，”勞恩說(shuō)道。“速度慢一點(diǎn)應(yīng)該沒(méi)啥問(wèn)題?！?/p>

??? 向蜥蜴學(xué)習(xí)

????仿生學(xué)是一門(mén)仿效動(dòng)植物界適應(yīng)環(huán)境的成功例子的科學(xué)。壁虎和它們那粘性十足的腳是仿生學(xué)研究的熱門(mén)課題，所以不奇怪為什么梅汀?斯提（Metin Sitti）助教會(huì)在機(jī)器人學(xué)院辦公室的玻璃容器里養(yǎng)著一只名叫“皮諾托”的巨人壁虎。

????斯提生于土耳其，在日本接受教育。這位33 歲的助教和他的學(xué)生正致力于造出具備壁虎腳功能的人工合成材料，使小型機(jī)器人可以借此為支撐，在光滑平面上爬行。

????壁虎的腳趾上覆蓋著數(shù)百萬(wàn)根細(xì)小的絨毛。每根絨毛末端都分叉成更小的一叢毛，特別像一把微型掃帚。這一整片絨毛形成的表面使壁虎能夠利用范德瓦爾斯引力爬墻，甚至頭朝下附著在玻璃上。到目前為止，研究專家只找出了一種它無(wú)法附著的材料，那就是特氟綸。

????科學(xué)家們計(jì)算出理論上壁虎的一根足毛就能支撐其全身的重量，這說(shuō)明如果人在手掌和膝蓋上戴著類似材料的墊子，就有可能攀爬墻壁。斯提的研究小組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了絨毛的十分之一粘性，他們盼望能很快獲得更大的進(jìn)展。

????斯提對(duì)分子間斥力也很感興趣，這種力能使某些昆蟲(chóng)在靜止的水面疾走而不打破液體表面張力。斯提制作了一個(gè)小型水上行走機(jī)器人，它的六條腿由金屬絲做成，外面包著防水塑料。三個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)它中間的腿像劃艇的漿那樣做橢圓形運(yùn)動(dòng)。

????斯提的水上機(jī)器人重量不到一克，以超細(xì)電線傳輸動(dòng)力。薄膜高分子電池可使第二代機(jī)器人可以自由地奔跑。斯提預(yù)言，裝有微型生化傳感器的自動(dòng)水上昆蟲(chóng)可以在將來(lái)?yè)?dān)當(dāng)環(huán)境監(jiān)控的工作。內(nèi)部空間隨著美國(guó)地下管道基礎(chǔ)設(shè)施的逐年老化，各家公用設(shè)施公司都面臨著找出并修復(fù)日益增多的地下設(shè)施泄漏問(wèn)題。要查出一處泄漏點(diǎn)是十分困難的，一有問(wèn)題，公司常常要在許多地方打洞。

????卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的首席系統(tǒng)科學(xué)家哈根?申普夫（Hagen Schempf）指出: “煤氣公司一般都在等著你打電話給他們說(shuō)，｀我聞到煤氣味了。＇然后，他們派人來(lái)檢查是否有泄漏。”東北部的天然氣供應(yīng)商認(rèn)為，如果他們多做一些預(yù)防性的維護(hù)，而不是事后的緊急維修，那么維修費(fèi)用會(huì)更加經(jīng)用。正是基于這一想法，名為“探索者”（Explorer）的機(jī)器人才得以誕生。它看起來(lái)就像一串金屬香腸，用于檢測(cè)分段管道。

????探索者由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)申普夫掛帥的工程小組負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)，東北部天然氣協(xié)會(huì)、國(guó)家航空航天局（NASA）和能源部為該項(xiàng)目提供資金。申普夫解釋說(shuō): “我們的想法就是要通過(guò)檢查主要管道來(lái)預(yù)防問(wèn)題的出現(xiàn)?！彼嘈牛嚓P(guān)公司將會(huì)聘請(qǐng)一些使用他研制的管道檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)的專業(yè)服務(wù)公司來(lái)檢查地下主干管道（他認(rèn)為，服務(wù)承包商很可能會(huì)按英尺來(lái)計(jì)價(jià)收費(fèi)）。 多關(guān)節(jié)的構(gòu)造使 45 磅重的探索者能力極強(qiáng)，可在 60~80 英寸的管道內(nèi)爬行時(shí)作 90 度轉(zhuǎn)彎。這一由電池驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在兩端都裝有廣角攝像頭。它用連接著鰭狀腿的機(jī)動(dòng)滾軸貼著管道的內(nèi)壁使自己前進(jìn)。

????在去年夏天紐約州楊克斯市進(jìn)行的實(shí)地測(cè)試中，康?埃迪森（Con Edison）成功地操作探索者穿過(guò)了幾百英尺長(zhǎng)的鑄鐵管道，這段管道是 19 世紀(jì) 90 年代埋入地下的。機(jī)器人在管道內(nèi)以每秒四英寸的速度爬行時(shí)，攝像頭把畫(huà)面無(wú)線傳送給操作者，后者在附近車內(nèi)就可以看清管道的內(nèi)部情況。

????將來(lái)更先進(jìn)的機(jī)器人將使用復(fù)雜的評(píng)估傳感器來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)腐蝕和裂縫的情況，這些情況單用視頻影像不一定能看清楚。

????譯者: 陳曄