科学松鼠会 ? 当宅男遇上超女

当宅男遇上超女Comments>>| Tags 标签：仿生,原创,情人节,机器人    Robot 发表于 2009-02-10 20:34
——关于机器人女友的可行性分析报告

此文已发于《新发现》
东京大地震，一个大都市倾覆了，成千上万的人死去，成千上万的人痛苦着，却成全了北村次郎的爱情。在他怀中残破的机器人女友终于在“临终”前体会到了人类的情感：“我能感觉到你的心，能感觉得到”。这是电影《我的女友是机器人》中最感人的一幕。导演满意地看到观众在唏嘘流泪的同时，轻易地接受了片中关于时空大挪移以及机器智能化的含糊解释。在这个情人节的前夕，不妨让我们怀着一颗八卦的科学心，为那些梦想能同次郎一样幸运的宅男们做一场关于机器人女友的可行性分析报告。
我是谁？我从哪里来，要到哪里去？
“So you are a robot?”（那么你是个机器人？）
“Don’t call me a robot. I’m a cybordyne model 103.”（别叫我机器人，我是cybordyne 出品的103型号）
这是影片中次郎和女机器人关于“我是谁”的对话，显然，次郎对于新时代的高科技产品分类还不甚了解。事实上，中文把“robot”翻译成“机器人”稍有误导之嫌，大多数的机器人是以机械臂或普通机器的外型出现的。人型机器人（Humanoid robot）只是机器人中的一个分支，它们“型似”人类，有对应的头，手，身体和双腿但并不苛求细节。脑袋可圆可方，外壳可以用金属也可以用塑料，鼻子嘴巴有没有都无所谓。影片《变形金刚》中的机器人就属于这一类。
人型机器人中真正“形似”人类的一个分支被称为仿生人（Android），这类机器人追求和人类在外形与动作方面的高度逼真。它们有足以乱真的体型，皮肤和五官，理想中的仿生人无论静态还是动态看上去都同真人无异。Android一词在希腊文中的词根专指男性，除了政治不正确的因素外，也与现实中男性主导的机器人工程界对美女仿生人孜孜不倦的追求相违背，于是Gynoid这个专指具有女性外表仿生人的词就应运而生了。因此，片中次郎所提问题更准确的表述应该是“So you are a Gynoid?”。
赛博格（Cyborg），在电影字幕中常常被翻译成机械化人，生化人或改造人，是对任何机械生物结合体的统称。此类形象频繁地出现在各类科幻小说和影视作品中，例如《终结者》中的施瓦辛格扮演的未来战士，《蜘蛛侠》中那个身上长满钢铁触角的大反派以及《星际旅行》中善用纳米探针的博格人。在现实生活中，赛博格一般指的是装有仿生学机械义肢的人类。比起其他作品天空行空的想象，《机械公敌》中装有电子手臂的警探史普纳大概是最接近现实赛博格的荧幕形象。《我的女友是机器人》一片的英文译名叫《Cyborg She》，很明显是将女主角划分到了赛博格这一类。
（左：本田出品的人型机器人Asimo，中：大阪大学和Kokoro公司联合推出的仿生人Actroid-DER2，右：使用德国Otto Bock公司出品的C-Leg义肢的赛博格）
同部分科幻作品中人类进化到赛博格再进化到仿真人的进程不同，以上三类智能体的研究现在可谓是全面开花。在生物学，机器人，人工智能，认知学等领域的共同推动下，智能体的明天将走向何方？让我们拭目以待。
芙蓉如面柳如眉
仿生人最基本的要求是“看上去像真人”，逼真的皮肤起着关键的作用。影片中女主人公自称“皮肤和人类一样都是活体细胞”。的确，随着生物科技的发展，组织工程培养出来的人工皮肤已经被广泛应用于治疗烧烫伤患者，在金属上成功植皮的消息也偶见报端。不过将医院的有限资源用在机器人身上，现在还是太过奢侈。工程师和艺术家们找寻的是能呈现皮肤特性的替代材料。
同迪斯尼主题公园中的玩偶一样，橡胶和塑胶都曾用于制作仿生人皮肤。不过这些材料不容易模拟面部皱纹，脸部表情变化所需的能量又太大，因而逐步被淘汰。当今流行的是以高弹性的硅树脂或硅胶来做皮肤，日本的Actroid，韩国的EveR，中国的邹人倜二号都属此列。美国机器人艺术家大卫•汉森(David Hanson)则使用一种特殊的海绵状橡胶材料Frubber，这种材料做出的皮肤褶皱非常逼真，推动面部表情所需的力度也更小。汉森制作的“爱因斯坦”面部下装有28处人造运动肌，因此可以做出相当丰富的面部表情。（看视频）
（上左：韩国工业技术研究院推出的仿生人EveR， 上右：汉森制作的“爱因斯坦”头部，下：中国雕塑家邹人倜和他制作的邹人倜二号）
实现仿生人逼真面部表情的硬件条件并非高不可攀，难的是如何让机器人知道在什么情况下做什么样的表情。同理，我们发现影片中的女主角大部分时间都面无表情，这并不是因为她那由活体细胞组成的皮肤动不了，而是因为彼时她还没有灵魂，不知道应该做什么表情。当然了，如果导演让她临终之前的面部表情再丰富一点，就更有说明力了。
仿生人的皮肤还能提供其他的功能：譬如使用皮肤下的触觉传感器阵列来感觉压力，使用感温传感器来更好的理解周围的环境。同样的，在机器人体内装上适当的装置，可以很好地模拟出类似真人的心跳，体温甚至呼吸。因此在影片中次郎和女主人公同回故乡的那一幕中，对机器人没有体温不够温暖的抱怨应该是导演的疏忽。
秋水为神玉为骨
仿生人的四肢要如何才能活动自如呢？我们不妨先来看看赛博格们使用的产品。含有碳纤维和电子传感器的智能下肢近年不断问世，成熟的产品包括德国Otto Bock公司出品的C-Leg和冰岛Ossur公司推出的系列产品。后者因曾为著名截肢短跑运动员奧斯卡•皮斯托利斯设计飞腿义肢而名声大震。智能手臂因为体积小，灵巧度要求高，现在还处在研究阶段，英国Hanger公司的i-Limb， 美国DARPA赞助的Luke arm都是这块市场的有力竞争者。与影片中出手不知轻重的彪悍女机器人不同，这些智能手臂该强则强，该弱则弱，既能提箱子，又可剥香蕉皮。而另外一些看上去没那么像人手的机械手臂，因为没有体积的限制，更加灵活，使得老虎钳，也能拿生鸡蛋。
（上左：英国Hanger公司的i-Limb；上右：美国DARPA赞助的Luke arm；下：美国shadow robot公司研发的机械手臂）
尽管有这些灵活度相当高的智能肢体，作为整体的仿生人目前能做的肢体动作却相当少，大多只限于歪歪脑袋弯弯腰。即使是发展更为成熟的人型机器人，也只能放在展厅里唱唱歌跳跳舞。比起带轮子或多足的机器人来说，双足的人型机器人如何在行走中保持身体平衡还是一个难题。现今表现最好的人型机器人可以在平地上行走，能够上下楼梯，但是在其他环境中则变得寸步难行，更不要说像影片中的女主人公那样健步如飞，同歹徒展开殊死搏斗了。一个算法优秀的机器人可以轻松打败象棋高手，但在行动上却赶不上一个三岁的小孩。在“想到”与“做到”之间，还有很长的路要走。
除开双脚的因素，如何将机器人的各部分整合成一个高效系统也是人型机器人面临的一个大难题。在动态的环境中，机器人如何准确接收外界信息，并及时正确地做出相应行动是非常困难的。那些在展厅中流利表演舞蹈的机器人都是事先编程或者远程控制的，与实时模仿真人舞蹈的机器人之间还有不小的差距。能源供给也是一个问题，移动中的机器人耗能不小，高性能电池的出现也许能在一定程度上解决这个问题。影片中我们看不出女主人公是如何充电的，不过从她对于食物的痴迷程度来看，也许她肚子里装着一个生物燃料电池呢。
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由此我们不难推断，次郎心心所念的和机器人女友“做爱做的事”有多么困难了。相比起来，日本新一代的充气娃娃无疑是宅男们更好的选择。它们有着和仿生人相近的皮肤，活动的关节，乃至拟人的呼吸，心跳和体温。更重要的一点是：现在就可以买得到。
==================小朋友们可以继续了===========================
襄王有梦，神女无情
随着科技的发展，我们也许能造出外表和行动都与真人无异的机器人，但有一个问题是无论如何也绕不开的：机器人会思考，有感情吗？
片中女主人公的头脑是利用再现人类神经元纳米技术制成的分子电路复合体（导演明白这是什么意思吗？），依靠这样的大脑，她可以在日常的生活中通过学习逐步掌握人类的情感。而在影片的结尾，她也确实学会了爱，体会到了次郎的一片真心。然而，基于逻辑计算的机器人真能拥有直觉、灵感、想像力乃至感情这些人类所引以为豪的东西吗？关于这个问题，请大家参考wilddonkey的大作“超越逻辑” ，讲的非常详细。
那么，在目前人类本身尚不明了情感是如何工作的情况下，我们如何指导机器人的智力或情感开发呢？来自欧洲多所大学的研究者们正在尝试对机器人婴儿进行教育，希望能找到让机器人自动学习的方法。第一代婴儿机器人Babybot的大脑由20台计算机组成，这些计算机联合起来运行多个神经网络，模拟人类的神经系统。Babybot会自动试验面前的玩具，不同的行动结果导致神经网络中各神经元之间的关联不停变化，通过这些不同关联之间的增强或减弱，Babybot能够学习到如何更好地使用这些玩具，从而逐渐掌握运动技巧。例如，这一次Babybot用某个姿势去抓玩具但没成功，下一次它就会换另一种方式去抓。通过这样的反复训练，婴儿机器人能够学会一些新技巧，譬如把瓶子在桌上滚来滚去。新一代的婴儿机器人iCub看上去如同一个2岁的孩子，除了玩玩具之外，它还成功地学会了爬行，科学家们期望它在今后的几年里能够学会说话，如同婴儿一样，从一堆毫无意义的咿呀声中学会发出有意义的单词或句子。
（左：第一代婴儿机器人Babybot，右:第二代婴儿机器人iCub）
婴儿机器人能学着动，学着说，也能学着爱吗？按照这样的发展模式，我们是否能造出电影《人工智能》中那个楚楚可怜的机器人小孩大卫呢？不容忽视的是，关于机器人伦理道德的担忧已经不再是天方夜谭了。
神女有心，襄王无意
影片中，次郎在目睹女主人公施展超能力救人于水火之后，情不自禁地爱上了她。然而，现实生活中，人们对于外表酷似人类而行为却大相径庭的智能体看法又如何呢？不妨想象一下，一位长相酷似林志玲的温柔美女突然一抬手，把旁边的垃圾桶拍成了铁饼，或者若无其事地把脑袋拆下来修理。你还会认为你正在看一部爱情片吗？
日本机器人专家Masahiro Mori在七十年代提出了著名的“机器人恐怖谷理论”。根据这个理论，人类对机器人的好感度是随着拟人程度的增加而增加的，但是当这种相似达到某个程度的时候，人类的好感会突然下降，形成一个谷状区间。这种情况在动态机器人身上表现地尤为明显。心理学家们认为这种排斥反应的原因有多种：可能是某些“非人类特征”在非常拟人化的实体中会显得特别不协调；或者是处于恐怖谷区间的机器人看上去类似僵尸；或者人类在进化过程中会下意识地排斥某些反映遗传性疾病的外表畸型。因此，许多机器人商家在设计产品的时候都会参考这个模型，尽量避免落入谷中。然而，人型机器人发展不过是最近十几年的事情，七十年代的理论是否能用于指导今天的高仿真产品？Mori的理论也受到了不少人的质疑。
恐怖谷曲线
尽管对于恐怖谷的理解还有着差异，大部分的研究者都认为机器人应该在外表和行为上保持一定的统一性，以避免用户的反感。也就是说，外表酷似人类的机器人，最好不要有太出格的举动。而要想让机器人做一些“超人”的活，则不妨让它看上去更像一台机器。如果你对此还不能理解的话，不妨想想你在服装店橱窗里偶然看到的没穿衣服的塑料模特，会不会感觉有点不舒服呢？
最后，请允许我对以次郎为代表的宅男们提出一点忠告：既然大家喜欢的是看上去酷似人类，行为也酷似人类的智能体，为什么不走出门去追追那些真正的女孩呢？情人节就要到了，赶快约你心仪的姑娘去天文馆参加小姬看片会吧。