想造出「星際效應」中機器人Tars,還有哪些難題?

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Photo:星際效應劇照

這個叫 Tars,看著像冰箱門,又像四根不銹鋼筷子拼成的機器人,是《星際效應》裡人氣最高的角色。 主角們來到第一個星球,海嘯到來時,是 Tars 救了安海瑟薇。 當主角們要解開黑洞之謎時,是 Tars 主動請纓。 當男主進入五度空間時,唯一能跟他溝通的是 Tars。 也是 Tars 將解開引力之謎的辦法,透過摩斯密碼告訴男主角,男主角才有機會撥動女兒的手錶。

看到了吧? 機器人拯救世界,看起來很酷的樣子,但是真的想要把 Tars 搬進現實,還是要面臨不少問題。 第一個問題是,Tars 究竟要多像人!

作為人性研究專家的導演諾蘭,在 Tars 這個機器人的設定上可沒有含糊。 諾蘭避免完全擬人化的設定。 他認為機器人,特別是在太空中使用的機器人,首先要考慮的是功能性。 這就是為何電影裡展現 Tars 的變形能力。 在遭遇大海浪時,Tars 的一側變成螺旋槳幫助其在海洋中穿梭。 在另一幕基地爆炸時,Tars 的一側又多出了助推裝置。 在爬陡峭的山坡時,兩側的“筷子”可以轉動助力。

機器人到底需要多擬人

這是諾蘭的原話:“這個影片發生在一個資源枯竭的未來,所以科學界極端依賴於軍事科技那裡保留下來的任何東西,在設計上,我們想做成關節式的機器人,防爆而堅不可摧,強調的是力量和功能,而不是外形。”

在接受《帝國》雜誌採訪時又如是說“這些機器是已經退役的軍用硬體並重新用於航太事業。它會思考會說話,但是要避免電影裡的機器人普遍的擬人化特徵。它們由四塊長條組成,圖片上接縫的部分還能再分成小塊,能有三種常規變形形態。”

國外的科學小組 Popsci 在評價諾蘭選用的非擬人設定時,給出的評價是非常有趣,但這樣的機器人現實裡沒有先例。一般 認為,諾蘭應該是有向庫伯力克電影《太空漫遊 2001》裡大黑石致敬的意思。 並且諾蘭一直有設計電影內設計道具的歷史,比如黑闇騎士裡的蝙蝠車,不僅重新設計,還真的製造了一台。

不過回想到男主最後醒來,重建 Tars 時,那個將幽默度設定到 75%,Tars 回應:“此機器即將爆炸”的梗。 又可以說,諾蘭在人機互動上,還是維持機器人擬人化的設定。 諾蘭認為機器人要有誠實度、幽默度,也符合人性設定。 加之 Tars 自言需要絕對服從男主的那段對話,也可以看出諾蘭依然遵從阿西莫夫的機器人三定律:

1、機器人不得傷害人,也不得見人受到傷害而袖手旁觀;

2、機器人應服從人的一切命令,但不得違反第一定律;

3、機器人應保護自身的安全,但不得違反第一、第二定律。

這裡面值得討論的是為何現實裡機器人大量採用擬人化設計,因為現有科技還不能讓機器自主思考,現在的機器人做到躲避未知障礙物的能力還有限。 所以將他們製造成擬人化的目的,就是——仿生。 努力將機器人做到擬人或者模仿其他動物,可以讓他們滿足一些特定的功能:

  • 像人一樣與真人互動,比如機器人大賽上常見的情況:握手、抓杯子等等。
  • 模仿人的行為,從而替代人工作,比如機械臂。
  • 模仿動物的行為,從而達到其行動能力。 比如雙足機器人、四足、六足和八足機器人。

其實擬人機器人這個詞語源來自法國象徵主義作家維利耶- 亞當於 1886 年出版的小說《未來的夏娃》,即 Android。 如果要形容那些具有高度外觀的擬人機器人,會用 Humanoid 這個詞。 即便是《星際大戰》裡長得像垃圾桶的 R2D2 也是擬人機器人,也有眼睛也有鼻子和小手臂(就是電人用的那支)。

捨棄人的外表,機器人如何移動

諾蘭的設計原理就是去擬人,讓機器人更接近那個世界設定下該有的樣子,最重要的是捨棄擬人的外表,讓機器人可以變形,以適應外太空以及未知星球更多的地形。 這樣的設定看起來是非常合理的,畢竟《星際效應》不是變形金剛,汽車不一定要硬變成人。

目前現實中的機器人,按照行動模式分為:固定、輪式、履帶式、雙足和多足。 這些分類,均是按照機器人可以挑戰的地形來分的。 其中多足已經被狹義上看作是全地形機器人,比如筆者此前介紹過的蛛形機器人 Charlotte。 多足機器人現在多用在災難搜救上,比如坍塌的建築物或者地震後的地形裡,這些地方一般人或車輛無法進入。

Tars 的四個鐵條可以模擬螺旋槳、多足、輪子、鉤子甚至是火箭推進器。從電影的角度來說,看起來非常合理。 不過從工程上,目前即沒有原型也沒如此的構想。 最接近諾蘭設計的機器人概念來自於荷蘭藝術家 Theo Jansen 設計的 Strandbeest (Beach Beast)。 在筆者看來 Tars 也好,還是沙灘怪獸也好,多少有點向蒸汽龐克致敬的意思。

很多機器人一個愛好者的出發點可以是仿生或者直接借用生活裡的製動裝置,然後用開源的 CAD 軟體來嘗試設計,比如 FreeCAD、LibreCAD 或者 opensCAD 等。 當然,如果你採購現成的機械組件,Nuke 這樣的仿生學開源組件都能讓你的機器人即插即用。 諾蘭真的造了一個 Tars 出來,並用在了電影拍攝裡。 諾蘭的團隊用八週時間,將一個空想的機器人實現成了一個靠液壓制動的人偶。 控制人偶的是特攝演員歐文。

放棄完全擬人化的設定讓諾蘭把精力集中於 Tars 的功能。 這樣對於拍電影來說問題解決了,但是對於真正的 Tars 來說,下一個問題又來了他將如何具備感知世界的能力,這件事甚至比教會機器人去思考還消耗資源。

開源機器人:機器人的進化

很多在致力於製造未來智慧家居的產品團隊,均認為所謂“智慧”將是從突出功能性向場景化轉變。 智慧家居將不是獨立存在的,不可能像手機一樣,將所有功能和傳感器集合在一個地方。 智慧家居應該是由無數個硬體和傳感器組成,她們應該具備在特定場景下,感知一切環境變化,並且彼此之間可以互動溝通,從而協作完成人類的需求。

所以,如果你要造出 Tars,可能外觀不是最重要的,而是要讓他具備“感知”能力。 在這四個大鐵塊的內裡,無數個深度攝影機、光感元件、溫度感知元件,乃至那些更先進的感知機會都得融入其中。 唯有在無數個人類會生活、工作和行動的場景裡,部署大量的傳感器,比如深度攝影機、麥克風、溫度計等,才有能力將真實世界的需求,轉化成計算機能夠處理的數據,從而轉化成機械行為。 這些傳感器不必都長在 Tars 身上,可以作為智慧家居的一部分通過雲端和 Tars 同步數據。

開源機器人可以幫助實現這樣的夢想。 製造機器人的核心技術包含三個部分,機械、電子和軟體。 機械好比如人類的骨骼和肌肉,電子好比是器官和神經元,軟體就是大腦。 早期在美國國防部和 DARPA(國防高等研究計劃署,就是那個給美國大兵出增強骨骼的黑科技組織)舉辦的機器人挑戰賽說明中,把現實中的機器人分為三種:工業機器人、遙控機器人、自主機器人。

這是一個逐級遞進的關係,其中工業機器人就是機械臂等,而自主機器人就是最終的目標,也是這個世界上無數科學家目前研究的重點。 自主機器人之所以能夠自主,是因為它具有和工業機器人和遙控機器人不一樣的大腦。 人的大腦並不是一蹴而就的,而是經過了數百年的進化過程,開源機器人可以以最快速度模擬人大腦進化的過程。

電子部分,就要開始考慮軟硬結合,將無數個傳感器(比如關鍵的感知原件深度攝影機)以及嵌入式計算機(或者更具計算能力的計算機),放入機器人。 在電子元件組合設計上,也有相對應的開源 CAD 軟體,比如 KiCAD、gCAD 和 frizing 等。

而在大腦的選型上,在這個開源越來越潮流的年代, Arduino、Raspberry Pi 等等都是不二的選擇。 現存的很多機器人零件製造公司,甚至已經寫好了對應 Linux、Android 等系統的萬用 SDK,照著要求把相關軟體寫進樹莓派,然後把組件簡單的拼起來一切就結束了。 如果你覺得以上這些都看起來太複雜了,需要掌握的軟體還是太多了,不如看看英特爾給的開源方案。

3D 列印

2013 年 9 月,英特爾在紐約的 Maker Faire 展會上,由他們唯一的未來科學家 Brain David Johnson(Futurist)展示了機器人 Jammy。這個身長 1 米的機器人完全由 3D 列印完成,英特爾在展會上直接公開了列印文件,任何家庭只要擁有 3D 列印機,然後購買英特爾的晶片組件和機械組件,這個機器人就算完成了。

在英特爾看來,Jammy 承擔的任務是成為一個開發平台,任何想製造機器人的普通人,只要開發軟體,就能夠得到自己心儀的機器人。 未來學者布萊恩認為機器人應該和手機一樣,即插即用,隨手可及。 並且可以自定義,安裝軟體就可以製造不同的機器人。

想想未來的世界,人們在網上選好功能,然後挑選一個好看的機器人外觀,一鍵將訂單發給像英特爾這樣的公司,一個機器人就會被送到家裡了。

英特爾的想法一點不瘋狂,在矽谷甚至是深圳,這樣的事例都觸手可及。 一家叫 Play-i 的公司,其創始人 Mikal Greaves 曾在青蛙設計工作, Vikas Gupta 則曾是 Google 支付部門擔任主管。 他們製造的機器人 BO 和 Yana 本質上就是玩具,面向對像是孩子。 孩子通過平板應用程式,就可以學著編寫一些行動序列,然後機器人就會按照這些行動指令來行動,以此深入淺出的教會孩子們寫程式。 這有點像當年學習機時代,用做遊戲的方式,教小孩子 VB。

如果說《星際效應》是諾蘭寫給自己女兒的詩歌,所以諾蘭硬是將原劇本裡的兒子改為女兒。 那麼 Jose Julio ,則是因為他女兒喜歡遊樂園裡的桌上曲棍球遊戲,所以用簡單的原件改造出桌上曲棍球機器人,就可以看作是一次開源機器人技術在家庭裡成功的開始。

Julio 的機器人全部由 3D 列印,核心軟體則來自開源的 RepRap,這一切都放在了開源的 Arduino 上。電子方面,傳感器則選用的是型號為 CMUCAM5 的 Pixy 。 這些都是直接對應 Arduino 的。 而機器人的“眼睛”則是直接從 Sony PS3 上拆下來的 PS Eye 。 實現原理也非常簡單,在一個桌面上標註一些特定的顏色代表軌跡或者觸發機關,PS Eye 會識別這些顏色,並向“大腦”傳輸這些數據,大腦決定機器人的行為。

看到了嗎? 這就是越來越接近大家的現實版機器人世界。 只要你肯跟上潮流,做一個能夠動,甚至互動的 Tars,看起來沒有那麼異想天開。 最後用英特爾這位唯一的未來科學家的話做個總結:

“我的工作是展望未來 10~15 年,拿出一個人與電腦
互動的方案。”

本文作者是黎明明,運動行聯合創始人,對生產未來智能家居或者家庭機器人感興趣的互聯網公司或者硬件公司,可以聯繫筆者,郵箱:[email protected]

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