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【计算机科学】漫游者兄弟有多聪明?

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发表于 2014-8-23 10:31:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
       2004年1月3日和25日,美国火星探测器勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)在经过六个多月的星际旅行之后,成功着陆于火星表面,开始了它们作为“漫游者”的生活。NASA(美国国家航天航空局)赋予兄弟俩的任务是:在火星上正常工作90个火星日(相当于92个地球日),探测火星的物质成分,寻找水和生命可能存在的痕迹。
       第一个90天过去了,第二个90天过去了,第十个90天也过去了,惊喜万分的科学家们一次又一次地将这次火星探测任务延长下去。在2007年10月做出的第五次延期决定中,科学家们期望兄弟俩能顺利度过2009年。如今,在牛年春节来临之际,这对双胞胎已经在火星上行进了将近2万米,并将正式踏入它们在火星上的第六个年头。



       在这过去的五年的时间里,它们传回了大量火星地表的图片信息,对火星上的岩石和土壤进行了测量分析,也发现了曾经有过水存在的痕迹。那么,这不断带给人们惊喜的两兄弟算得上机器人中的高IQ吗?人工智能领域的专家也许并不这么认为。因为,它们还是属于远程控制机器人(Telerobot)。顾名思义,这类机器人是要靠人操作的,它们的头脑和身体是分家的。NASA控制室里的工作人员才是机器人的大脑,火星上的漫游者只是机器人的身体,对于环境的判断,推论,如何下一步行动都是由地面上的人来决定的。这似乎有些类似中国古代传奇小说中的剑侠,能够以气御剑,杀人于千里之外。

        最早期的远程控制机器人源于上世纪四五十年代的核能研究。Raymond Goertz在美国阿贡国家实验室搭建了一个处理放射性材料的远程控制机器人。虽然这台机器人的“远程”只是隔着一道防护墙,而且机器人本身也没有任何智能化,只是一个完全听命于操作者的机械装置。但这个概念被迅速接受并应用到太空,水下作业,炸弹拆除等其他领域。



        如今,外科手术机器人逐渐成为远程控制机器人中的一颗新星。2001年9月7日,一台特殊的腹腔镜胆囊切除术在两个地点同时进行,参与这场手术的除了在纽约的外科医生,在法国的病人,还有一台叫做 “宙斯(ZEUS)”的机器人。如果你得知医生只能通过摄像头观察病人的情况,你是否为病床上的病人捏了一把冷汗? 毕竟,这一刀下去,医生手上可没感觉。还有,要是恐怖袭击早4天来临,拿“刀”的这位手一抖,那可怎么办? 幸好,“宙斯”比五十年前那台愚昧听话的机器人聪明不少,它能够综合接收到的医生指令和自身所带传感器的反馈信息来进行手术,所以我们不必太担心纽约这边的情况。



        不过,对于远程控制机器人的研究者们来说,最理想的境界是能够让“空间障碍”彻底透明化。那就是说,任何机器人一端的传感器所接收到的反馈信息都能够传达到操作员这端来。如同新一代游戏手柄能够反馈给玩家触觉感受一样,远程控制机器人也在尽量将三维视觉,听觉,触觉等各种感觉传回给操作者。

        对于漫游者兄弟来说,情况又不同了。因为地球和火星之间距离太远,信号传一个来回差不多要20分钟。这使得地面工作人员无法像控制“宙斯”一样实时交互地控制漫游者。再加上深空网络的带宽,太阳磁场的电子干扰,以及无法充分掌握火星地表信息,都迫使地面工作人员不得不放弃直接控制漫游者的想法。因此,勇气号和机遇号也有着比手术机器人更高的智能,或者说,它们有部分的脑子。兄弟俩能够用眼睛(摄像头)来判断行进道路中的障碍、坡度、危险性,能够自动绕开障碍物,还能判断是否有旋风或者烟雾。这样,对于地面上的操作者来说,给漫游者发送的通常就是一连串指令了,譬如说:前进20米到A点,拍照,再走到B点,停下来,挖土… 而具体如何达成这些一个个的小目标,则是由机器人自己来完成。

        通常,在火星夜晚来临,漫游者入睡之前,它们会将周围环境的图片拍下来,传回地球。地面工作人员则会将这些图片放在模拟环境中,通过反复的模拟测试,仔细设计出第二天的任务,再将任务分解成一连串的指令传送给漫游者。接下来,当火星上新的一天开始的时候,兄弟俩就会尽力去完成接收到的任务了。当然,模拟环境并不总是万无一失的。2005年4月,机遇号在试图翻越一个波浪形沙丘时就被陷住了,NASA的地面人员在模拟环境中测试了许多种方式,花了一个多月,才把它搭救出来。

        世界各地永不满足的科学家们还在不停地研究,如何让远程控制机器人更聪明一些。不过,真正聪明的无人驾驶车辆应该出现在地球上而不是火星上。作为当今最大的无人驾驶车辆大赛,大挑战(DARPA Grand Challenge)受到的关注自然不仅仅源于它提供的两百万奖金。2005年,以斯坦福大学的Stanley为首的五辆无人驾驶汽车顺利通过了212公里的越野竞赛。2007年以卡内基梅隆大学的的Boss为首的六辆无人驾驶汽车又顺利通过了96公里的市区竞赛。相信在这些汽车走向千家万户的时候,相关的技术也会被应用到今后的火星(或者其他星球)探测器上去。

        作为太空俱乐部新成员的中国,也将于2009年10月发射第一颗火星探测器(轨道飞行器)“萤火一号”。在期待看到“萤火一号”发回火星照片的同时,我们也期待着中国的航天事业能够推动中国机器人技术在其它领域的进一步发展。

        后记:这篇文章以美国火星探测器漫游者兄弟始,以中国的火星探测器萤火一号止,我更想说的是不同的远程控制机器人拥有的智能程度,以及为什么如此安排。希望这个简单的描述能够让大家对直接控制(direct control),共享控制(shared control)和监督控制(supervisory control)这三种层次的控制方法有一个比较直观的理解。

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