歡迎來到新的機器時代，各路才能迥異的科學家都能使用先進材料、廉價傳感器、3D 打印和強大的電腦來助力機器人研發(fā)的腳步了。

在上一個機器周期中，創(chuàng)新改變了我們的工廠和倉庫，不過這些機器人更適合在可控的環(huán)境中工作，大多數(shù)時間游離在公共視野之外。對哈佛和全球其他地方的研究者來說，新的目標是讓機器們在“主干道”上亮相。“在科幻小說里，這樣的景象我們已經耳濡目染 50 多年了。” Robert Wood 說道，他是哈佛工程和應用科學教授。“不過，這樣的機器人在哪呢？”

次世代機器人肯定要廣泛進入現(xiàn)實世界，它們不但要在森林和田地中跋涉去干重體力活，還要載著人們出行。當然，也少不了在廚房里做些家務。這可不是胡亂開腦洞的瞎猜，畢竟像亞馬遜這樣的零售巨頭，已經開始著手用無人機送貨了，而自動駕駛測試車也成了許多城市的新風景，能掃地拖地擦窗戶的機器人也成了許多家庭的標配。

不過，以上這些任務只是未來機器人的常規(guī)工作，在危急時刻它們還要做些精細的工作，如災害搜救、幫殘疾人重新奔跑、修復受傷的心臟，甚至還要替人類打仗。

工程學教授 Robert Howe 就表示：“當然，現(xiàn)在我們已經掌握了不少技術，過去十年來的技術突破讓我們能打造足夠棒的機器人來解決現(xiàn)實問題了。”

“我們已經造了許多大家根本意想不到的機器人”

新勢力推動者

哈佛最近在機器人領域的一系列動作讓這潭死水重新活了起來。大學教授 George Whitesides 就提到，他在柔性機器人上的突破就與哈佛在柔性材料物理學和微觀流體上的成就密切相關。

最早推動柔型機器人風潮的是日本研發(fā)人員，那還是在上世紀 90 年代。最近，Whitesides、Wood 和一些大學的創(chuàng)新重新讓該領域動了起來，為新的設計和特性趟出了一條路，機器人不再是僵硬的齒輪和杠桿驅動的鐵疙瘩了。

“通過新材料的應用，我們替換了老式控制機構。” Whitesides 說道。說這番話時，他正手握一個長得像海星的橡膠夾鉗，只要充滿氣，它就能牢牢抓住某個物體。“如果沒有新材料和新技術，老式機器人根本沒有革新之日。”

研究人員的努力創(chuàng)造了各種天馬行空的新型機器人，有些即使被車輛碾過，它們也能正常工作。此外，它們還用蠕動和爬行代替了滾動和生硬的前行。此外，這些機器人還連帶促進了新制造工藝的發(fā)展，比如 3D 打印。更有趣的是，這些機器人成了《國家地理》雜志的內容生產利器，在海底收集到了大量前所未見的珊瑚。當然，創(chuàng)新也催生了大量新公司，新產品的商業(yè)化更是方便了包括農場、倉庫和生產線在內的各行各業(yè)。

“將創(chuàng)意轉化成商品的過程也相當有趣。” Whitesides 說道。“機器人最先解決的問題是我意想不到的，而且整個商品化過程比我想象中要快得多。”

哈佛大學技術發(fā)展辦公室的 Sam Liss 指出，類似 Soft Robotics 這樣的新創(chuàng)公司已經能提供相對簡單的機器人研發(fā)方式了。

“新創(chuàng)公司的結構已經相當成熟。”他說道。“僅僅幾年而已，Soft Robotics、RightHand Robotics 和 Root Robotics 等公司就拔地而起了，未來肯定還會有更多公司加入其中。這樣的轉變對哈佛也是個啟示，我們不但要重視研發(fā)，各院系還要集中精力將研發(fā)成果轉化成有影響力的實際產品。”

哈佛機器人“勢力”的野蠻生長主要靠鮑爾森工程和應用科學院，生物工程系也功不可沒。教職工、學生和學會成員普遍反映，在機器人開發(fā)工具和設備上的大力投資對他們的工作影響頗深。

“對我的工作來說，這些工具實在太重要了，學生們和博士后終于有趁手的家伙了。”Wood 說道。

團隊合作

哈佛大學一直有個機器人專家核心團隊，雖然只有十個人左右，但他們會定期進行交流合作。專家團隊海陸空機器人通吃，只要它們能協(xié)助人類完成工作。當然，這些機器人也得反映出開發(fā)者的創(chuàng)新意識和思維。

“我們已經造了許多大家根本意想不到的機器人”計算機科學教授 Radhika Nagpal 說道。“會飛的、能爬墻的、可穿戴的機器人都已經成了現(xiàn)實。現(xiàn)在的機器人可狂野得多，它們更像是動物，而非傳統(tǒng)印象中的輪式車輛或金屬骨架。”

這些機器人中的代表之一是 RoboBee，它由 Wood 一手開發(fā)，使用 Nagpel 的軟件來控制。這個昆蟲大小的飛行機器人不但能變身測量工具，還能在災區(qū)、農業(yè)病蟲害甚至戰(zhàn)區(qū)采集數(shù)據(jù)和圖片。這么小的體型，傳統(tǒng)的機械杠桿、齒輪等現(xiàn)成零部件完全用不上，它需要的可不只是天才設計師。

“就拿 RoboBee 來說，它用的零件市場上可買不到。”Wood 說道。“我們得一切從頭做起：新的制造工藝、啟動器、傳感裝置、計算架構甚至能源存儲都得一一攻克。另外，控制機器人動作的算法也是從零開始，之前的老經驗都派不上用場了。雖然挑戰(zhàn)多多，但我們真心喜歡這個過程，不僅是研發(fā)成功后的喜悅和各種新功能，還有整個過程中沉淀下來的新技術。”

Wood 就舉了個例子：飛行機器人用到的傳感器和致動器就能移植到生物醫(yī)學設備中，因為微創(chuàng)手術設備（如內窺鏡）的“體型”可是相當重要。

工程和應用科學教授 Walsh 指出，醫(yī)學機器人頗受業(yè)內重視，主要原因就是它們對人類生活品質的積極影響。眼下，Walsh 的試驗室正在打造柔性外骨骼套裝，也許未來的一天，他們能讓中風病人重新站起來，用自己的腳步丈量大自然。

哈佛機器人系在醫(yī)學機器人的研究上還有個得天獨厚的優(yōu)勢，即哈佛醫(yī)學院及其下屬的 16 家醫(yī)院和研究機構的支持，病人到底需要什么它們絕對心知肚明。

舉例來說，在美國國家衛(wèi)生研究所的支持下，Howe 和波士頓兒童醫(yī)院的兒科主管 Pierre Dupont 已經合作多年，他們要用機器人解決心臟外科手術。如果能取得成功，就能用微創(chuàng)手術代替現(xiàn)在痛苦的開胸手術了。

“對病人來說這絕對是個福音，創(chuàng)傷和風險都要小得多。”Dupont 說道。“我們在做的，是臨床醫(yī)生原來想都不敢想的。”

“我們想做的是能真正提升人類生活質量的產品”

Walsh 還將柔性外骨骼的技術授權給了 ReWalk Robotics 公司，后者有計劃今年推出用于臨床試驗的產品，并在五年內把概念變成商店里的商品。

“我們想做的是能真正提升人類生活質量的產品”。Walsh 說道。

Walsh 的研究成果能在醫(yī)學上得到應用也有美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的一份功勞，雖然它們當初是想借外骨骼技術打造超級士兵。不過，現(xiàn)在該技術卻成功下放到民用領域，不但能解決心臟外科手術，還有希望讓脊柱受傷、中風病人重新站起來。

“柔性系統(tǒng)概念的前提是它必須足夠輕量化，沒有限制性且對人的生物特性有最小的影響，它的作用就像肌肉。”Walsh 說道。“現(xiàn)在的問題是，這樣的系統(tǒng)真的對人的移動能力產生積極作用嗎？”

從室內跑步機和長距離行軍測試來看，其增強效果約為 15%。除此之外，Walsh 的團隊還在測試中幫中風病人提高了行走效率，減少了肢體間的功能性不對稱。未來，團隊還有其他高山要翻越，比如對外骨骼套裝進行輕量化，加大系統(tǒng)助力并保證套裝與自然動作同步。

行為問題

除了要解決機器運動的問題，了解它們如何思考也同樣重要，這也是哈佛大學研究人員一直在深思的問題。工程和計算科學助理教授 Scott Kuindersma 在增強控制系統(tǒng)上有自己的觀點，他認為這樣才能完整釋放機器人的潛力。

“在我看來，物理能力完全合格的機器人并不難造。”Kuindersma 說道。“不過這些機器人卻無法實現(xiàn)自己的動態(tài)極限，在實際工作中也不夠穩(wěn)健。從根本上來講，這是個計算的問題。”

最近，Kuindersma 的敏捷機器人試驗室迎來了名為 Cassie 的兩足機器人，它看起來就像一只鴕鳥。Agility Robotics 公司設計的 Cassie 就是 Kuindersma 所說的物理能力完全合格的機器人。

“Cassie 用的還是 Agility Robotics 的老式控制器。”Kuindersma 說道。“它到實驗室后，我們做的第一個工作就是刪掉這個控制器。隨后，我們會開發(fā)新的算法，爭取將機器人的運動能力推到極限，Cassie 將成為一個實驗平臺。如果一切順利，未來我們將用它展示高速戶外運動能力，而整個運動過程中 Cassie 將利用高頻視覺傳感器反饋來規(guī)劃動態(tài)行走的動作。”

“想想那些在山澗中跳躍的山羊，如果它們不能迅速決定把腳放到哪，恐怕就會墜落山崖，而在那種復雜的地形下選個落腳地可不容易。我們想做的就是讓機器人也擁有像山羊一樣的能力。”Kuindersma 說道。

與 Kuindersma 專注于控制復雜動作的意圖不同，Nagpal 更在意如何驅動復雜的群組行為。

“我們的實驗室一直有經由簡單實現(xiàn)復雜的傳統(tǒng)。”Nagpal 說道。“個體能力即使再強也有限制，因此我們更愿意靠群體的力量來實現(xiàn)目標，團隊合作也是自然界中的通行規(guī)律。”

“個體能力再強也有限制”

為了實現(xiàn)自己的目標，Nagpal 在多地研究了擅長團隊合作的動物，如納米比亞的白蟻和巴拿馬的軍蟻，它們都是不需要進行中央調配就能完成挑戰(zhàn)性十足任務的群居昆蟲。

“自然環(huán)境里就有典型范例，實現(xiàn)完美的合作不需要繁多的條件，我們也想復制這種模式。”Nagpal 說道。“如果能成功，我們就能用上大量并不復雜的零部件，它們之間的協(xié)作也不復雜，但照樣能實現(xiàn)復雜的目標。”

按照這一理念，Nagpal 開發(fā)了小型機器人 Kilobot，它只需遵循簡單的指導方針，如位置和附近機器人的動作。組成集群后，Kilobot 們就能執(zhí)行復雜任務了。在一次展示中，這些小家伙們排成了類似海星的隊伍，但整個過程卻不需要復雜的計算機大腦或控制系統(tǒng)。她的團隊還在白蟻的啟發(fā)下開發(fā)了一款機器人，組成集群后就能在用戶指定區(qū)域工作。

“我們可以設定相關規(guī)則，讓它們總是能搭建正確的結構。”Nagpal 說道。“而且你不用管這個群體到底有 10 臺還是 50 臺機器人，這些機器人也無需知道同伴的位置，它們甚至不需要知道自己的具體任務。”

在 Nagpal 看來，這種能集群工作的機器人潛在應用場景很多，它們能快速做出災害應對，如幫救災人員壘起沙袋墻。加上環(huán)境傳感器后，也能執(zhí)行勘探任務。Nagpal 的試驗室還開發(fā)出了機器魚，這些廉價的機器人能充當海底探測器，替換昂貴的潛艇。

Nagpal 指出，Kilobot 的誕生是技術快速發(fā)展的結果，新技術可不只是增加了新系統(tǒng)的復雜性，還大幅降低了成品零部件的價格。

“我原本認為玩硬件就是浪費錢，因為當時一臺機器人要價 10 萬美元。”Nagpal 說道。“不過現(xiàn)在我改變想法了，因為機器人的成本已經降到了數(shù)百美元，我實驗室里還有幾千個成本只要 20 美元的小家伙呢。”

Nagpal 已經將 Kilobot 的技術授權給了 K-Team（一家小型機器人制造商），現(xiàn)在全世界已經有 10 家試驗室用上了 Kilobot，其中有兩家甚至組建了規(guī)模達 1000 臺的 Kilobot 集群。

“Kilobot 創(chuàng)造了一個活力十足的研究領域，其他實驗室用它打造的新系統(tǒng)我自己都不敢想象。”Nagpal 說道。

章魚一直是柔性機器人的靈感來源

未來的創(chuàng)新者

教授們努力開發(fā)新一代機器人的同時，大學生們也在不斷積累知識和經驗，他們將成為 21 世紀下半葉機器人開發(fā)的中堅力量。在這之后，還有無數(shù)的創(chuàng)新者正處在萌芽階段，他們可能正在實習，也可能正通過哈佛的機器人俱樂部接觸機器人或者坐在教室里聽講。如果你在哈佛的課程中搜索“機器人”這個詞語，能得出包括微型機器人、人工智能、控制理論等多種多樣的課程。

“非正式機器人也正在成為設計和打造機器人的新范式。”哈佛設計學院講師 Chuck Hoberman 說道。眼下，在高科技實驗室做復雜龐大的機器人已經不再流行，學生拿起手邊的日常材料配合廉價的計算機零件打造機器人才是新趨勢。

“哈佛開設此類課程主要是培養(yǎng)學生的發(fā)散思維。”Hoberman 說道。“看到學生的作品你肯定會非常驚訝，因為有的甚至只是紙片和塑料而已。不過，配上快速成型技術和一些市場上就能買到的電子元件，我們的學生能讓一片紙在家中自由漫步，這片紙甚至還能根據(jù)周圍環(huán)境改變自己的路線。見證奇跡的時刻就是設備打開的那一刻，對于年輕設計師來說這也是相當重要的經驗。”

在課堂之外學生們的動手能力也有不同程度的提高，去年哈佛本科生機器人俱樂部就解決了一系列的設計問題。俱樂部成員表示，雖然大家來自不同院系，精通計算機科學、機械工程和電子工程的大牛都有，但機器人是一個跨學科項目，因此大家必須齊心協(xié)力。

年僅 17 歲的 Shaan Erickson 認為這個俱樂部對她的思路影響很大，未來她想在汽車行業(yè)一展才華。“它讓我大開眼界，見識到了一個全新的領域，我愿意為它貢獻自己的一份力量。”