????新一代工業機器人能給船體除漆，檢查地下煤氣管道，穿越無人沙漠，甚至可以修剪你的高爾夫球場

????作者：Stuart F. Brown

????上個世紀 80 年代，第一次工業機器人浪潮最早出現在工廠。它們大多數都是固定作業的，外觀跟手臂類似，常被派去干那些所謂的“三D工作”─乏味、骯臟或危險的事情，比如把晶片插進電路板、噴漆或者焊接之類的活兒。在這些小發明旁邊干活的工人們久而久之習慣于把它們僅僅當成是機械工具，而不是多少也有點自主行動能力的自動化裝置。

????不過，機器人的世界也發生著迅捷的變化。隨著電腦運算能力飛速提高、價格急劇下降以及全球定位系統（GPS）等導航技術的出現，工業機器人現已遍布全球。除了干好那些用傳輸帶送到面前的活兒之外，活動機器人還可以到任何需要的地方去工作。

????消費者已經開始熱衷于用機器人來給地板除塵和修剪草坪。同時，大學里的研究人員正在開發更先進的機器人，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立決策能力的工作，如檢查地下天然氣管道，在無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污染物。為了一睹目前活動機器人的發展情況，《財富》雜志派人參觀了位于匹茲堡的卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）機器人學院，那是個奇思異想層出不窮的地方。

????越野勇士

????卡內基梅隆大學野外機器人中心創立者雷德?惠塔克（Red Whittaker）是個充滿活力、滿腦子追求成功的家伙，他從 1984 年就開始研究能夠在極端環境下工作的活動機器人。他現在的心思都放在了“無人駕駛沙漠賽車”上。他的“雷德之隊”（Red Team）正竭盡全力備戰五角大樓的第二屆“大挑戰”賽事，這是一項由美國國防高級研究計劃局（DARPA）贊助的穿越莫哈韋沙漠的機器人駕車比賽。

????去年 3 月，“雷德之隊”在參加第一屆 DARPA“大挑戰”時使用了一輛經改裝后由機器人控制的多功能軍用輪型車（Humvee），1986 年產，綽號“沙漠風暴”。這輛老爺車只在沙漠里行駛了 7.4 英里，就失去了牽引，陷進起伏不平的沙地里動彈不得。雖然“雷德之隊”的車走得比其它 12 個參賽者都要遠，但他們還是沒能獲得 DARPA 的百萬大獎。這次惠塔克勢在必得。2004 年 10 月 8 日，“雷德之隊”將派兩輛機器人駕駛的悍馬（Hummer）參加第二屆“大挑戰”比賽: “沙漠風暴”和別名“陸地巡洋艦”的新款民用悍馬。每輛車內均裝有電腦、傳感器、激光掃描儀和其它設備，使得它們能夠在無人監控的情況下在沙漠地帶行駛。“陸地巡洋艦”內的新型超穩定傳感器平臺，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仍能保 持頭部相對靜止的原理同出一轍。

????兩輛車對工程學提出了截然不同的挑戰。“如果你要將一輛老式悍馬自動化，那么你應該重在改進推動油門踏板和連接部件的氣缸，因為你的控制方式是機械化的，”惠塔克解釋道。“而新型悍馬的引擎、轉動裝置和剎車都是電子控制的，這樣我們只要開發控制車輛的軟件就行了。”

????這回 DARPA 把獎金提高到了兩百萬美元，以吸引眾多發明天才參賽。美國軍方也翹首以待有誰能研制出無人駕駛的車輛。如果“大挑戰”賽事能誕生一輛具有實際操作性的自動化卡車的話，DARPA 將獲得驚人的投資回報。

????大賽開始前幾天，被選中參加本年賽事的 20 支隊伍將接到通知趕赴位于美國西南部的比賽起點，全長 175 英里的比賽路線將在出發前幾小時才揭曉。自動化車輛必須在 10 個小時內行駛完全程，才有機會贏得比賽的勝利。

????惠塔克非常善于招募學生志愿者來協助做賽前準備，過去幾個月里他們都在忙著編輯加利福尼亞、內華達和新墨西哥等地大片沙漠的電子地圖。他們搜集來自免費和付費渠道的航空數據，并且結合個人自駕車在沙漠中行駛獲得的信息。“這是我們在 2005 年的秘密武器，”惠塔克透露。“我們總共匯集了數萬兆字節的地理數據，所以制定比賽計劃再也不需要仰賴 MapQuest（提供在線街道搜尋服務的公司─譯注）了。”

????濕乎乎的工作

????剝除船體舊漆的傳統方法是豎起一個腳手架，讓一群工人用高壓噴射深紅色粗砂來沖刷船體。這是一項又臟又危險的工作。不但工人們有從腳手架上失足跌落的危險，而且在此過程中有毒灰塵也會紛紛落下。為了改善這項工作的環境，位于佛羅里達州斯圖爾特的自動化船體清潔設備開發商 Ultrastrip Systems 開發出了帶有真空軟管的高水壓噴嘴，刮下的漆和產生的污水也可以通過軟管進入過濾和處理流程。但是，這種設備的銷路并不太好，因為它工作的速度只有粗砂沖刷的一半。

????為了減少工作量，Ultrastrip 決定將這項工作自動化，開發一個自動除漆噴頭。卡內基梅隆大學的機器人專家幫助該公司開發了 M3500 型除漆機器人，它不但能在可旋轉的橡膠輪上移動，其獨特的永磁材質還可以讓其牢牢吸附于船體上。

????實踐證明，要給機器人安裝可視系統，從而使它具有獨立行動能力，頗具難度。所以這一裝置是由一名工人通過控制桿來操作的。旋轉噴嘴噴出的水柱壓力高達每平方英寸 50,000 磅。（兩根纜繩為在船體上工作的機器人提供輔助安全支撐。）可以通過上下調節來避免噴嘴碰到焊縫或其它障礙。強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變干。

????Ultrastrip 的首席執行官斯蒂芬?詹森（Stephen Johnson）宣稱: “一個機器人干起活來能頂 10 個工人，而且質量要比用粗砂沖刷還來得好。”

????詹森介紹，Ultrastrip 已經銷售了七套這樣的設備，售價為每套 80 萬美元。Ultrastrip 的機器人幫嘉年華郵輪（Carnival Cruise Lines）保持整潔的外觀。美國海軍的一艘導彈驅逐艦科爾號（Cole）2000 年在也門亞丁遭恐怖襲擊破壞后，Ultrastrip 的機器人亦曾受雇為它整飭。自動剪草消費者最終會希望得到完全自動化的產品，對這一點你應該已有了初步認識。景觀維護設備制造商 Toro 公司預測，消費者對自動剪草機的需求潛力很大。“從科技的發展速度來看，我們認為機器人用不了多久就能修剪高爾夫球場了，”首席執行官肯德里克?梅爾羅斯（Kendrick Melrose）很有信心。“我們在研究和開發產品時考慮的是十年至二十年內我們行業的發展趨勢。很顯然，消費者需要的是更少的勞力支出。”

????Toro 公司的高級園林技術中心一直在醞釀未來的計劃，該中心由機械工程師黛納?勞恩（Dana Lonn）領導。幾年前，勞恩曾請包括助理研究教授桑吉夫?辛格（Sanjiv Singh）在內的卡內基梅隆大學科學家幫助開發具有先進可視和導航能力的自動剪草機。他們選擇進行自動化的是 Toro 公司的 3500D 型旋刀剪草機，該款重型剪草機主要應用于高爾夫球場和運動場地。

????勞恩認為，自動草坪剪草機的研發面臨兩個根本性的難題。一是精確定位（知道自己在哪里），二是探測障礙物（這樣才不會撞到東西）。Toro 的原型機如果安上比較便宜的 GPS 接收器的話，在開闊草地和平地上的導航非常輕松，但當它在伸展開來的樹枝或在其它障礙物下面行駛的時候，它就無法持續接收到 GPS 衛星信號。

????在這種情況下，剪草機需要輔助導航設備才能繼續按既定路線前進。可行的解決辦法之一是采用慣性導航系統，即 INS，利用多個回轉儀作為傳感器來定位。很多飛機目前都使用昂貴的 INS 系統。不過，快速發展的硅質微電子機械系統（MEMS）的市場以其成本低廉而更受工程師們青睞。小巧便宜的 MEMS 回轉儀現在廣泛應用于汽車穩定性控制系統。GPS 生產商也正想方設法將其用于低成本的 INS 類產品上。

????另外一個辦法是在剪草機上安裝激光系統，將射到修剪范圍內的反射體上的光彈回，再通過數學三角分割計算（這同樣應用在 GPS 系統上），當剪草機的 GPS 天線無法接收信號時，激光系統就能接過導航的任務。不過，不管用何種方法，勞恩都認為導航問題很快就能得到解決。設計可靠的視頻探視系統則是另一個完全不同的難題。機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。“而如果一個物體不是綠色的，那么我們就需要再湊近看仔細一點。”但是，綠色的東西也分很多種形態和質地: 你怎么也不會樂意看到自己的剪草機在修剪航路旁的綠化帶，或是俱樂部會所門前的阿斯特羅草皮（Astroturf）。

????Toro 的剪草機還能看到像高爾夫球那么大的物體。由于普通攝像頭會受到太陽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用激光掃描器放置在一個平臺上，就像探照燈那樣可以左右掃動。激光掃描器非常昂貴，但在慢速下辨別障礙的效果很好。既然眼下消費者對快速剪草機的需求源自降低人力成本的考慮，那么自動剪草機的速度就不那么要緊了。“當機器可以無人操控時，它的經濟價值就是另一回事了，”勞恩說道。“速度慢一點應該沒啥問題。”

??? 向蜥蜴學習

????仿生學是一門仿效動植物界適應環境的成功例子的科學。壁虎和它們那粘性十足的腳是仿生學研究的熱門課題，所以不奇怪為什么梅汀?斯提（Metin Sitti）助教會在機器人學院辦公室的玻璃容器里養著一只名叫“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百萬根細小的絨毛。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法附著的材料，那就是特氟綸。

????科學家們計算出理論上壁虎的一根足毛就能支撐其全身的重量，這說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實現了絨毛的十分之一粘性，他們盼望能很快獲得更大的進展。

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

????斯提的水上機器人重量不到一克，以超細電線傳輸動力。薄膜高分子電池可使第二代機器人可以自由地奔跑。斯提預言，裝有微型生化傳感器的自動水上昆蟲可以在將來擔當環境監控的工作。內部空間隨著美國地下管道基礎設施的逐年老化，各家公用設施公司都面臨著找出并修復日益增多的地下設施泄漏問題。要查出一處泄漏點是十分困難的，一有問題，公司常常要在許多地方打洞。

????卡內基梅隆大學的首席系統科學家哈根?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，｀我聞到煤氣味了。＇然后，他們派人來檢查是否有泄漏。”東北部的天然氣供應商認為，如果他們多做一些預防性的維護，而不是事后的緊急維修，那么維修費用會更加經用。正是基于這一想法，名為“探索者”（Explorer）的機器人才得以誕生。它看起來就像一串金屬香腸，用于檢測分段管道。

????探索者由卡內基梅隆大學申普夫掛帥的工程小組負責開發，東北部天然氣協會、國家航空航天局（NASA）和能源部為該項目提供資金。申普夫解釋說: “我們的想法就是要通過檢查主要管道來預防問題的出現。”他相信，相關公司將會聘請一些使用他研制的管道檢測機器人作業的專業服務公司來檢查地下主干管道（他認為，服務承包商很可能會按英尺來計價收費）。 多關節的構造使 45 磅重的探索者能力極強，可在 60~80 英寸的管道內爬行時作 90 度轉彎。這一由電池驅動的機器人在兩端都裝有廣角攝像頭。它用連接著鰭狀腿的機動滾軸貼著管道的內壁使自己前進。

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

????將來更先進的機器人將使用復雜的評估傳感器來檢測管道內腐蝕和裂縫的情況，這些情況單用視頻影像不一定能看清楚。

????譯者: 陳曄