爱华网新一代工业机器人能给船体除漆，检查地下煤气管道，穿越无人沙漠，甚至可以修剪你的高尔夫球场
作者：Stuart F. Brown
上个世纪 80 年代，第一次工业机器人浪潮最早出现在工厂。它们大多数都是固定作业的，外观跟手臂类似，常被派去干那些所谓的“三D工作”─乏味、肮脏或危险的事情，比如把晶片插进电路板、喷漆或者焊接之类的活儿。在这些小发明旁边干活的工人们久而久之习惯于把它们仅仅当成是机械工具，而不是多少也有点自主行动能力的自动化装置。
不过，机器人的世界也发生著迅捷的变化。随著电脑运算能力飞速提高、价格急剧下降以及全球定位系统（GPS）等导航技术的出现，工业机器人现已遍布全球。除了干好那些用传输带送到面前的活儿之外，活动机器人还可以到任何需要的地方去工作。
消费者已经开始热衷于用机器人来给地板除尘和修剪草坪。同时，大学里的研究人员正在开发更先进的机器人，它们不仅可以做“三 D 工作”，而且可以完成那些需要具备出色独立决策能力的工作，如检查地下天然气管道，在无人驾驶的情况下穿越崎岖的沙漠地带，甚至行走在水面上检验污染物。为了一睹目前活动机器人的发展情况，《财富》杂志派人参观了位于匹兹堡的卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人学院，那是个奇思异想层出不穷的地方。
越野勇士
卡内基梅隆大学野外机器人中心创立者雷德8226;惠塔克（Red Whittaker）是个充满活力、满脑子追求成功的家伙，他从 1984 年就开始研究能够在极端环境下工作的活动机器人。他现在的心思都放在了“无人驾驶沙漠赛车”上。他的“雷德之队”（Red Team）正竭尽全力备战五角大楼的第二届“大挑战”赛事，这是一项由美国国防高级研究计划局（DARPA）赞助的穿越莫哈韦沙漠的机器人驾车比赛。
去年 3 月，“雷德之队”在参加第一届 DARPA“大挑战”时使用了一辆经改装后由机器人控制的多功能军用轮型车（Humvee），1986 年产，绰号“沙漠风暴”。这辆老爷车只在沙漠里行驶了 7.4 英里，就失去了牵引，陷进起伏不平的沙地里动弹不得。虽然“雷德之队”的车走得比其它 12 个参赛者都要远，但他们还是没能获得 DARPA 的百万大奖。这次惠塔克势在必得。2004 年 10 月 8 日，“雷德之队”将派两辆机器人驾驶的悍马（Hummer）参加第二届“大挑战”比赛: “沙漠风暴”和别名“陆地巡洋舰”的新款民用悍马。每辆车内均装有电脑、传感器、激光扫描仪和其它设备，使得它们能够在无人监控的情况下在沙漠地带行驶。“陆地巡洋舰”内的新型超稳定传感器平台，可以使它能在崎岖的地形行驶，与猎豹在大草原上追逐猎物飞奔时仍能保 持头部相对静止的原理同出一辙。
两辆车对工程学提出了截然不同的挑战。“如果你要将一辆老式悍马自动化，那么你应该重在改进推动油门踏板和连接部件的气缸，因为你的控制方式是机械化的，”惠塔克解释道。“而新型悍马的引擎、转动装置和刹车都是电子控制的，这样我们只要开发控制车辆的软件就行了。”
这回 DARPA 把奖金提高到了两百万美元，以吸引众多发明天才参赛。美国军方也翘首以待有谁能研制出无人驾驶的车辆。如果“大挑战”赛事能诞生一辆具有实际操作性的自动化卡车的话，DARPA 将获得惊人的投资回报。
大赛开始前几天，被选中参加本年赛事的 20 支队伍将接到通知赶赴位于美国西南部的比赛起点，全长 175 英里的比赛路线将在出发前几小时才揭晓。自动化车辆必须在 10 个小时内行驶完全程，才有机会赢得比赛的胜利。
惠塔克非常善于招募学生志愿者来协助做赛前准备，过去几个月里他们都在忙著编辑加利福尼亚、内华达和新墨西哥等地大片沙漠的电子地图。他们搜集来自免费和付费渠道的航空数据，并且结合个人自驾车在沙漠中行驶获得的信息。“这是我们在 2005 年的秘密武器，”惠塔克透露。“我们总共汇集了数万兆字节的地理数据，所以制定比赛计划再也不需要仰赖 MapQuest（提供在线街道搜寻服务的公司─译注）了。”
湿乎乎的工作
剥除船体旧漆的传统方法是竖起一个脚手架，让一群工人用高压喷射深红色粗砂来冲刷船体。这是一项又脏又危险的工作。不但工人们有从脚手架上失足跌落的危险，而且在此过程中有毒灰尘也会纷纷落下。为了改善这项工作的环境，位于佛罗里达州斯图尔特的自动化船体清洁设备开发商 Ultrastrip Systems 开发出了带有真空软管的高水压喷嘴，刮下的漆和产生的污水也可以通过软管进入过滤和处理流程。但是，这种设备的销路并不太好，因为它工作的速度只有粗砂冲刷的一半。
为了减少工作量，Ultrastrip 决定将这项工作自动化，开发一个自动除漆喷头。卡内基梅隆大学的机器人专家帮助该公司开发了 M3500 型除漆机器人，它不但能在可旋转的橡胶轮上移动，其独特的永磁材质还可以让其牢牢吸附于船体上。
实践证明，要给机器人安装可视系统，从而使它具有独立行动能力，颇具难度。所以这一装置是由一名工人通过控制杆来操作的。旋转喷嘴喷出的水柱压力高达每平方英寸 50,000 磅。（两根缆绳为在船体上工作的机器人提供辅助安全支撑。）可以通过上下调节来避免喷嘴碰到焊缝或其它障碍。强大的水流冲击船体后，使表面升温，这样已清洗的部分很快就会变干。
Ultrastrip 的首席执行官斯蒂芬8226;詹森（Stephen Johnson）宣称: “一个机器人干起活来能顶 10 个工人，而且质量要比用粗砂冲刷还来得好。”
詹森介绍，Ultrastrip 已经销售了七套这样的设备，售价为每套 80 万美元。Ultrastrip 的机器人帮嘉年华邮轮（Carnival Cruise Lines）保持整洁的外观。美国海军的一艘导弹驱逐舰科尔号（Cole）2000 年在也门亚丁遭恐怖袭击破坏后，Ultrastrip 的机器人亦曾受雇为它整饬。自动剪草消费者最终会希望得到完全自动化的产品，对这一点你应该已有了初步认识。景观维护设备制造商 Toro 公司预测，消费者对自动剪草机的需求潜力很大。“从科技的发展速度来看，我们认为机器人用不了多久就能修剪高尔夫球场了，”首席执行官肯德里克8226;梅尔罗斯（Kendrick Melrose）很有信心。“我们在研究和开发产品时考虑的是十年至二十年内我们行业的发展趋势。很显然，消费者需要的是更少的劳力支出。”
Toro 公司的高级园林技术中心一直在酝酿未来的计划，该中心由机械工程师黛纳8226;劳恩（Dana Lonn）领导。几年前，劳恩曾请包括助理研究教授桑吉夫8226;辛格（Sanjiv Singh）在内的卡内基梅隆大学科学家帮助开发具有先进可视和导航能力的自动剪草机。他们选择进行自动化的是 Toro 公司的 3500D 型旋刀剪草机，该款重型剪草机主要应用于高尔夫球场和运动场地。
劳恩认为，自动草坪剪草机的研发面临两个根本性的难题。一是精确定位（知道自己在哪里），二是探测障碍物（这样才不会撞到东西）。Toro 的原型机如果安上比较便宜的 GPS 接收器的话，在开阔草地和平地上的导航非常轻松，但当它在伸展开来的树枝或在其它障碍物下面行驶的时候，它就无法持续接收到 GPS 卫星信号。
在这种情况下，剪草机需要辅助导航设备才能继续按既定路线前进。可行的解决办法之一是采用惯性导航系统，即 INS，利用多个回转仪作为传感器来定位。很多飞机目前都使用昂贵的 INS 系统。不过，快速发展的硅质微电子机械系统（MEMS）的市场以其成本低廉而更受工程师们青睐。小巧便宜的 MEMS 回转仪现在广泛应用于汽车稳定性控制系统。GPS 生产商也正想方设法将其用于低成本的 INS 类产品上。
另外一个办法是在剪草机上安装激光系统，将射到修剪范围内的反射体上的光弹回，再通过数学三角分割计算（这同样应用在 GPS 系统上），当剪草机的 GPS 天线无法接收信号时，激光系统就能接过导航的任务。不过，不管用何种方法，劳恩都认为导航问题很快就能得到解决。设计可靠的视频探视系统则是另一个完全不同的难题。机器人剪草最基本的判断原则是什么呢？绿色的就是好的。“我们的想法是，如果机器人碰到的东西是好的，那么它们通常都是绿的，”劳恩解释说。“而如果一个物体不是绿色的，那么我们就需要再凑近看仔细一点。”但是，绿色的东西也分很多种形态和质地: 你怎么也不会乐意看到自己的剪草机在修剪航路旁的绿化带，或是俱乐部会所门前的阿斯特罗草皮（Astroturf）。
Toro 的剪草机还能看到像高尔夫球那么大的物体。由于普通摄像头会受到太阳光角度和露珠反射光的不利影响，所以研究专家尝试将工业用激光扫描器放置在一个平台上，就像探照灯那样可以左右扫动。激光扫描器非常昂贵，但在慢速下辨别障碍的效果很好。既然眼下消费者对快速剪草机的需求源自降低人力成本的考虑，那么自动剪草机的速度就不那么要紧了。“当机器可以无人操控时，它的经济价值就是另一回事了，”劳恩说道。“速度慢一点应该没啥问题。”
向蜥蜴学习
仿生学是一门仿效动植物界适应环境的成功例子的科学。壁虎和它们那粘性十足的脚是仿生学研究的热门课题，所以不奇怪为什么梅汀8226;斯提（Metin Sitti）助教会在机器人学院办公室的玻璃容器里养著一只名叫“皮诺托”的巨人壁虎。
斯提生于土耳其，在日本接受教育。这位33 岁的助教和他的学生正致力于造出具备壁虎脚功能的人工合成材料，使小型机器人可以借此为支撑，在光滑平面上爬行。
壁虎的脚趾上覆盖著数百万根细小的绒毛。每根绒毛末端都分叉成更小的一丛毛，特别像一把微型扫帚。这一整片绒毛形成的表面使壁虎能够利用范德瓦尔斯引力爬墙，甚至头朝下附著在玻璃上。到目前为止，研究专家只找出了一种它无法附著的材料，那就是特氟纶。
科学家们计算出理论上壁虎的一根足毛就能支撑其全身的重量，这说明如果人在手掌和膝盖上戴著类似材料的垫子，就有可能攀爬墙壁。斯提的研究小组已经实现了绒毛的十分之一粘性，他们盼望能很快获得更大的进展。
斯提对分子间斥力也很感兴趣，这种力能使某些昆虫在静止的水面疾走而不打破液体表面张力。斯提制作了一个小型水上行走机器人，它的六条腿由金属丝做成，外面包著防水塑料。三个压电驱动器推动它中间的腿像划艇的浆那样做椭圆形运动。
斯提的水上机器人重量不到一克，以超细电线传输动力。薄膜高分子电池可使第二代机器人可以自由地奔跑。斯提预言，装有微型生化传感器的自动水上昆虫可以在将来担当环境监控的工作。内部空间随著美国地下管道基础设施的逐年老化，各家公用设施公司都面临著找出并修复日益增多的地下设施泄漏问题。要查出一处泄漏点是十分困难的，一有问题，公司常常要在许多地方打洞。
卡内基梅隆大学的首席系统科学家哈根8226;申普夫（Hagen Schempf）指出: “煤气公司一般都在等著你打电话给他们说，｀我闻到煤气味了。＇然后，他们派人来检查是否有泄漏。”东北部的天然气供应商认为，如果他们多做一些预防性的维护，而不是事后的紧急维修，那么维修费用会更加经用。正是基于这一想法，名为“探索者”（Explorer）的机器人才得以诞生。它看起来就像一串金属香肠，用于检测分段管道。
探索者由卡内基梅隆大学申普夫挂帅的工程小组负责开发，东北部天然气协会、国家航空航天局（NASA）和能源部为该项目提供资金。申普夫解释说: “我们的想法就是要通过检查主要管道来预防问题的出现。”他相信，相关公司将会聘请一些使用他研制的管道检测机器人作业的专业服务公司来检查地下主干管道（他认为，服务承包商很可能会按英尺来计价收费）。 多关节的构造使 45 磅重的探索者能力极强，可在 60~80 英寸的管道内爬行时作 90 度转弯。这一由电池驱动的机器人在两端都装有广角摄像头。它用连接著鳍状腿的机动滚轴贴著管道的内壁使自己前进。
在去年夏天纽约州杨克斯市进行的实地测试中，康8226;埃迪森（Con Edison）成功地操作探索者穿过了几百英尺长的铸铁管道，这段管道是 19 世纪 90 年代埋入地下的。机器人在管道内以每秒四英寸的速度爬行时，摄像头把画面无线传送给操作者，后者在附近车内就可以看清管道的内部情况。
将来更先进的机器人将使用复杂的评估传感器来检测管道内腐蚀和裂缝的情况，这些情况单用视频影像不一定能看清楚。
