美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,简称ASME)成立于1880年,是美国最早成立的专业学协会之一。现已成为一家拥有全球130,000名会员的国际性非赢利教育和技术组织,也是世界上最大的技术出版机构之一。ASME的宗旨是通过制定专业规范、组织研发活动、联系政府机构、召开会议、出版书刊以及持续的教育训练,来促进全球跨学科工程学的技术水平、学科研究和行业运作;ASME致力于帮助全球工程师群体应对挑战——无论您的工程事业是为改善人类生活还是地球环境,ASME 都能提供一个团队合作、知识传递以及技能发展的平台。
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本期给大家带来的是ROBOTICS机器人技术系列:
当前,机器人技术在工业环境中的应用正加速发展。通过此系列,您将了解更多有关自动化、协作机器人、人工智能机器人、定制机器人和无人机等方面的信息。
未来,我们将依赖机器人完成从驾驶到建筑的所有工作。研究人员正在研究如何对机器人进行编程以便将这些职责交给它们。
自动驾驶汽车、生产线上的小型机器人、执行救援任务的无人机,以及陪伴老年人的机器人等等,或许这些正给我们提供帮助的机器人不怎么具有未来感。但如果没有信任,所有这些也都不可能实现。人类需要在机器人和机器人系统周围拥有足够的安全感才能依赖它们。
弗吉尼亚理工大学电气和计算机工程助理教授 Ryan Williams 说:“在自动驾驶汽车等自主机器人系统中建立人机信任是成功的关键。正如我们在人类团队中观察到的那样,没有信任的协作往往是无效的,甚至适得其反。”
无论是机器人驾驶公共汽车还是在当地银行热情地迎接大家,世界各地的研究机构都在研究人类如何通过机器人系统建立信任。密歇根大学工业与运营工程助理教授 Xi Jessie Yang 表示:“我们的重点主要是研究如何创建流程来建立对这些系统的信任,而不仅仅是构建技术本身。我们需要确信我们已经考虑到了使它们在现实世界中有效工作所需的各个方面。” 她的职业生涯一直在研究这一主题。
下面,我们来看看科学家和工程师们希望我们能够毫无疑问地接受的五种类型机器人吧。
● 搜索和救援无人机
在荒野中追踪迷路徒步旅行者不是简单的一个人或一群人就能完成的工作。无人机可以发挥其优势,将搜索范围覆盖到更多地方。
威廉姆斯在弗吉尼亚理工大学的团队正在开发与人类搜索者合作的自主无人机。在搜索和救援任务固有的紧张多变的气氛中,此时,人们需要知道他们是可以依赖无人机的反馈的。如果无人机拍摄到了可能是迷路徒步旅行者的图像,那些相信图像是真实的人们会迅速做出反应,而对图像持怀疑态度的团队可能会认为这只是错误的光线而已。
信任来自计算机的编程方式。为了开发信任算法,研究人员进行了模拟失踪人员搜索。在此期间他们比较了人类搜索者和无人机在相同情况下的行为,后续可用于对比二者信息,进一步微调其用于无人机的信任算法。
● 制造业:一张有名字的脸
当前,传统工业自动化越来越不能满足工业发展的需求。在美国,有近90%的制造任务都需要借助外包的方式来转移;在中国,这一比率也在急剧攀升。而随着劳动力成本上升和低成本劳动力地区的缩减,制造商们正在陷入快速客户需求和成本效率不匹配的两难境地之中。最前沿的智能协作机器人Sawyer便应运而生。
知名新兴机器人制造企业Rethink研发的智能协作机器人Sawyer即在生产线上与人类一起工作的协作机器人,可以说是人机共融时代的引领者,它不是传统机器人的小型化,而是更为智能、安全、鲜活的“人类伙伴”。它的问世,被业内誉为与瓦特发明蒸汽机相媲美的第二次机器革命,是世界机器人发展的里程碑。
Rethink Robotics表示:“由于 Sawyer的友好设计,人类很快就接受了它。” Rethink Robotics推出的新版Sawyer黑色版,配备了眼睛和眉毛等,类似人脸,可以改变表情,比如当它不理解某项任务时会感到困惑。当 Sawyer 将手臂移向一个物体时,它会像人类那样自动看向物体。此外,人们还给Sawyer及其前身 Baxter起了类似人类的名字。Rethink Robotics首席执行官 Daniel Bunse表示,赋予 Sawyer 类似人类的品质有助于人们对可能站在离自己不远处的协作机器人周围而感到安全和放心。
● 了解自动驾驶汽车
自动驾驶汽车中的乘客需要知道自动驾驶汽车能够感知什么,包括明亮的 阳光、黄昏或是雨天。英特尔高级首席工程师兼 Mobileye 自动驾驶汽车标准副总裁Jack Weast 表示,这可以让乘客相信自动驾驶汽车是能够始终感知周围环境的。他和另外两位英特尔高管研究了自动驾驶汽车中的信任建设,并就此主题撰写了论文。
Weast说提供多种沟通方式非常重要。语音交互、大显示屏、小型触摸屏和乘客个人的移动设备都可以以不同的方式帮助乘客注意和理解信息。Weast说:“这特别有意义,因为当不再需要驾驶时,乘客的注意力可能会集中在其他活动上。”
● 社会服务
具有社交技能的机器人将促进更积极的人机交互。例如,辅助生活设施的机器人可以成为老年人的伴侣。
麻省理工学院的研究人员对机器人进行了编程,使其能够执行人类互动的一些本能反应,以期赋予机器人某种社交技能。他们创建了一个模拟环境。在模拟环境中,让其中一个机器人观察、猜测同伴机器人想要完成的任务,然后帮助其完成等等。
麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 首席研究科学家兼 InfoLab 小组负责人鲍里斯·卡茨表示:“我感觉这是首次极其认真的尝试,对于了解人类和机器进行社交互动具有重要意义。” 此外,研究人员还表明,他们的模型创造了现实且可预测的社会互动。卡茨说,当他们向人们展示这些模拟机器人相互交互的视频时,人们大多认可该模型所展现的正在发生的社会行为。
● 安全的人行横道
跟随步行标志过马路的行人看到一辆停下的车辆且里面没有司机的话可能会感到惊慌失措。比如,在没有标志的十字路口,自动驾驶汽车不会挥手让你先过。
密歇根大学机器人研究所的核心科学家莱昂内尔罗伯特博士说,密歇根大学的研究人员研究了不同的驾驶行为如何影响行人对自动驾驶汽车系统的信任。他们希望行人在无人驾驶车辆周围感到安全,但又不能太安全。研究人员希望确定一个最佳的行人信任水平,使行人在过马路时感到舒适,但又不会舒适到鼓励冒险行为的发生。未来的自动驾驶汽车可以调整其驾驶行为以达到这一适当的信任度。
罗伯特说,为了找到这一水平,研究参与者进入了虚拟现实场景,配备了一个通常用于游戏的全向跑步机,允许向任何方向行走。他说:“我们毫不意外地发现,行人信任那些采用较慢、更具防御性驾驶方式的车辆。”另一方面,激进驾驶会降低信任度。
归根结底,研究人员致力于更新证实一个古老的公理:If you can’t trust a robot, who—or what—can you trust?
当自主机器人正在驾驶汽车、进行垃圾分类回收时,约翰·霍普金斯大学研究团队已经在致力于开发一种用于执行更精细任务的机器人,即进行手术的机器人。2022年1月,该团队报告了一项里程碑式的成就:智能组织自主机器人STAR首次在没有人类指导的情况下,对猪的软组织进行了腹腔镜手术,这是向机器人最终在人体上实施全自动手术迈出的重要一步。
该团队开发STAR系统已经有10年的时间,其在2016年报告时曾说已经成功地在稳定的组织样本上进行了肠道吻合术即将肠道的两端缝合在一起的手术。转向动物活体实验则是向前迈出的一大步。机械工程助理教授Axel Krieger说:“自我们在2016年对该设计进行了里程碑式的研究并取得了一些重大进展后,如今,我们很高兴可以继续突破界限。”
约翰·霍普金斯大学的团队认为,他们已经接近开发出一种仅在人类外科医生的监督下就能进行普通手术的机器人
虽然使用腹腔镜或锁眼技术进行肠道吻合术是一种很常见的手术,但这其实并不简单。即使腹腔镜技术已经取得了一定的进步,但仍有至少10% 的病例会因为缝线错位而导致泄漏。而这也意味着患者必须接受进一步手术来矫正,不仅增加了患者的风险且影响了其康复时间。
Krieger和他的团队希望可以使用专为STAR设计的缝合工具来提高此类手术的准确性。由于STAR不需要人工干预或引导,因此团队认为他们已经接近拥有完全自主权的机器人。当这一天到来时,外科医生只需监督,而STAR 则会主导这一常见手术。
该团队还改进了其机器学习算法。在STAR开始手术之前,使用一种专门设计的内窥镜。
该内窥镜配备了一个混合3D、红外摄像头,不仅提供可视性,还允许STAR构建该区域的3D模型。然后,机器学习算法会根据组织的位置和对手术完成后的外观估计,制定出缝合计划,并能够让STAR在执行手术时参考模型并在需要时纠正路线。红外摄像机还可用于检测呼吸运动,使STAR可以与身体同步,这样就不会在组织运动时缝合。Krieger说:“当然,呼吸周期之间会有短暂停顿,因此,借助人工智能,机器人能够找到组织停止运动的确切时刻,从而找到最佳时机将工具对准目标。”
总的来说,这些进步表明STAR现在能够以83%的准确率放置针迹,这不仅是对机器先前迭代的重大改进,而且跟没有机器人协助下做同样工作的人类外科医生相比也是一个很大的改进。
未来的挑战
在STAR开始为人类进行手术之前,仍需克服许多挑战。第一个挑战涉及创建故障保护机制,以便机器人能够检测何时发生错误并重新工作。此外,虽然STAR更准确,但速度仍比人类慢,该团队希望可以提高STAR的执行速度。
Krieger渴望探索机器人的其他应用,包括为急救车和创伤室配备STAR。他想象在未来世界里,机器人可以通过暂时阻塞动脉以防止病人在去医院的路上失血来协助专业人士。他还说:“我们的目标不是取代外科医生,而是在复杂的情况下给他们提供帮助,同时,我们也希望这项技术可以为医生稀缺或没有足够能力执行此类手术的地区提供一定的帮助。”
作者:Cassandra Martindell 俄亥俄州格罗夫波特的技术作家