身体的智能：11.5拟人伙伴机器人

我们已经在这本书中多次提到拟人机器人了，特别是在第5章讨论机器人技术的发展时。在本节中我们将观察这一“类”里特别有趣的几个例子。拟人（humanoid）

和类人（android）这两个专用名词被广泛地应用于多种机器人上，从洋娃娃型玩具到如Asimo，H-7或者Qrio那样的尖端机器人。比起拟人机器人来，我们已经讨论了很多（或多或少地）类似动物的机器人，如Puppy，Paro以及AIBO，但是在这一类中还有更多其他机器人，我们不能在这里一一列举。现在让我们从众多拟人机器人中简要介绍一些，主要还是用于娱乐目的（尽管其中有一些也用于研究目的），如富士通公司（日本）生产的一种30cm高的武术拟人机器人Hoap-2；Takara玩具公司（日本最大的玩具制造商之一）的FII-RII，它是一种能够连接到因特网供它的主人远程监控自己家的程式化机器人；还有iRobot系列的“我的真宝宝”，它就像一个真的婴孩，能够仿效许多婴孩的动作。位于犹他州的Sacros公司制造了高性能的真人大小的机器人，其中一些是远程控制的；由Cybot公司（日本）的Shunichi Mizuno发明的高仿真的玛丽莲・梦露（Marilyn Monroe）仿人机器人。由Kokoro Dreams（日

本）与大医大学共同研制生产的迷人的谈话机器人Actroid是至今为止最逼真的拟人机器人了（图11.1（b）所示）。然后还有Bandai公司生产的BN-7娱乐机器人，这是一家日本的玩具公司，因广为流行的tamagochi玩具而闻名；日本计算机巨鳄 NEC公司的Papero，据称是“具有人一样性格，能友善地行走、交谈的个人机器人”；

Faustex Systems公司生产的“疯狂的H-2拟人机器人”，它是一个要比任何人都快的武术机器人，还有其他许多种类。我们发现上述这些机器人都特别有趣，或许因为它们设计时（明确地或含蓄地）考虑了智能系统的原理，也可能是因为它们事实上经过了在人类环境中的长期测试。我们不会一一讨论上面的这些机器人，列举这些只是让大家感觉一下现在已有的拟人机器人的多样性。我们只关注这样几种：通讯机器人Robovie，由大阪大学和京都一个著名的研究机构ATR联合开发；吹笛机器人WF-4以及特别为人机交互和为住院和居家的人们所设计的HRP-2机器人。

如果我们要设计一个伙伴机器人，它肯定要有一定的文化、娱乐和音乐方面的才能。在拟人机器人方面处于领先地位的东京早稻田大学已经率先研发了演奏音乐的机器人。在1980年代初，那里的研究者们已经致力于我们在第5章中提到的风琴演奏机器人Wabot-2的研究工作，它完成于1984年，Wabot-2的任务就是演奏键盘乐器，因为诸如演奏风琴或者钢琴之类的艺术活动应该需要一些人类的智慧和聪颖。Wabot-2能够利用头上的摄像机阅读普通的乐谱，如果乐谱是中等难度的话它还能演奏出来。它（或者他？）每秒能够弹奏15个音，它还能为歌手伴奏，当然这需要一定的交互技巧：机器人必须要“听”并且适应歌手的节奏和音调。Wabot-2绝对是拟人机器人历史上的一个里程碑，它所展示出的这些技能被认为是有相当智能水平的表现。然而没有人会声称Wabot-2已经拥有了人类的智能水平。感觉一运动协调在它的演奏中发挥了重要作用，但是它只有相对较少的自发感觉激励。机器人的手是灵巧的，但它身体的移动与通过行为激发的感觉刺激却非常有限。然而由于任务是一定的，所以这无关紧要。

音乐机器人有着很长的历史。Pierre Jaquet-Droz和他的儿子Henri-Louis于18世纪在瑞士开发了一种演奏风琴机器人。然而这种机器人能演奏的风琴是特别设计的，而Wabot-2却能够演奏任何一种风琴。因此Wabot-2拥有更加丰富的行为能力，而且比起这些历史上的机器人而言适应性更强；它展示了更高的多样性和灵活性。

正因为它具有和歌手互动演奏的能力，Wabot-2也被认为是“个人机器人”或伙伴机器人发展的真正的里程碑。

最近，拟人机器人领域的带头人之一，Atsuo Takanishi正忙于一种新的乐器演奏机器人――长笛演奏机器人WF-4的开发。Takanishi既是一个梦想家又是一个实践者：他不仅有非常伟大的主意，他也能迅速把它们转化为现实。例如，当他意识到轮椅的一个主要制约就是它们的使用环境被限制于平坦的表面，为了能够扩大这些设备的使用环境，他就和日本机器人公司的领导者Tmsuk公司一起制造了步

行椅。

重新回到机器人“演奏家”们，正如那些能演奏风琴的机器人，吹笛机器人在18世纪也有它们的原形。Jacquesde Vaucanson在以他的机械鸭成名以后，又开发了尖端的吹笛机器人和打鼓机器人，但同样地，长笛和鼓都是为机器人特制的。现在让我们更仔细地看一下WF-4。构成这个机器人的技术是非常有创造性的，它的相关部位都与人相同。它有两片“肺”：两个容量和成年男性的肺活量相当的汽缸；

一个四自由度的脖子，允许像人一样的头部运动；它有两只手，手指的自由度加起来总共有12个；它每秒能够开合长笛上的活瓣8次；它还有一个三自由度的嘴唇机构来形成吹出的气柱，这对于长笛发声十分重要。最后还有一个振动机构，使得机器人能够产生任何熟练的长笛演奏者都能完成的颤音。它安装有一个包括 MIDI界面的音乐演奏系统，这样WF-4就能够演奏诸如完整的四重奏之类的曲目。正如Wabot-2风琴机器人能够为人类歌手伴奏，WF-4也能够和人类长笛演奏家合作。

基于这个目的，它装有许多交互传感器。一个麦克风用来获取长笛演奏者的演奏信息，当然除此之外还有很多传感器连接到（人类）演奏者身上，加速度传感器检测人的手臂运动，另一个传感器测量他腹部的收缩，还有一个传感器嵌入地上的传导胶皮中用来测量他足部的运动。有趣的是放置在机器人周围环境中的传感器似乎比放置在机器人身上的传感器更加重要。

在观察用于WF-4的一些设计原理之前，让我们先看看它的智能特性。当然机器人是遵循物理定律的，因此空气的特性就十分相关了。智能体一定会以其有趣的行为对环境造成影响，在它与环境（长笛）相互作用时产生压力波使长笛发出动听的声音。WF-4绝对是一个复杂动态系统，并且有许多个与长笛所发出的音调相关的吸引子状态，当空气吹进长笛产生振动，就设定了与此特定的声音相关的吸引子状态。当机器人改变气流或移动它的手指，振动就改变了，就会产生新的声音。而且WF-4以一种真正独创的方式进行形态学计算，它嘴唇的形态学特性，即材料或是形状，振动机构的材料特性被充分利用来产生合适的气流。在这种意义下机器人在某种程度上充分利用了生态学的平衡，即材料和形态学提供控制特性的事实。

WF-4的确充分利用了生态学的平衡，而其他设计原理的应用程度就低得多，例如，导致建立感觉一激励的感觉一运动协调只是被潜在的使用。人们也可以提出由于机器人拿着长笛，把它放到嘴边，它也能潜在的产生感觉激励并能够利用来调整它的嘴形和气流。毫无疑问，听到自己演奏的曲子、感觉产生的振动是学习如何演奏乐器很重要的基本方法之一，但是学习不是这个例子的目的。而且就我们所知，WF-4并不听它自己演奏的曲子或是感觉它自己的动作。对于发展和进化设计原理，WF-4所体现的所有过程都在“当今”中发生。Takanishi和他的同事们想要理解和制造实际的机构本身，而不是通过学习或者进化的方式来设计它们。他们的确做得很棒：WF-4演奏出的音乐非常好听。至于多样性–顺应性，基本上没有利用机器

人的生态位，尽管我们前面提到它也利用空气的动态特性。然而它有很多行为多样性，这就意味着机器人基本上能够演奏任何曲目，甚至是由Nicolay Rimsky-Korsakov所作的高速的“野蜂飞舞”，机器人要设定好程序来演奏这些曲目。只要给WF-4像Wabot-2那样的读谱能力，就能很容易地扩展它的行为多样性。

WF-4项目的目的是为了探索一种单一的能力―演奏音乐，而不是开发具有许多能力的完全机器人伙伴。从完整智能体的角度来说，研究多种能力之间的关系是很有趣的，如在发展的背景当中演奏音乐以及交谈，在智能体完成这些困难的任务之前需要具备哪些感觉–运动能力？肺和嘴唇机构当然也（至少是部分）参与讲话和生成面部表情。现在已经有一些机器人能够讲话，其中一些有真正的声道来发声，而不是用数字声音芯片来发声。什么样的发育机制能够允许机器人学习使用它们的肺部、声道和嘴唇来进行演讲或者表演音乐？似乎发育设计原理能够运用于这种情形。如“发育是一个渐增过程”的原理显而易见将在这里体现，机器人可能首先要学习如何用简单的动作来发出基本的声音，只有做到这些它才可以开始运用它嘴唇和手指上更多的自由度来产生声调的细妙变化。

由于情绪的表达对于演奏长笛来说也很重要，从制造音乐机器人到制造情绪占主要作用的面部表情机器人（我们将在下面讨论这一类机器人）应该是一个有趣的转换。例如，WF-4能够用它的嘴唇来表达快乐或者悲伤的情绪。马上就会想到另外一个问题就是由于WF-4知道如何演奏一种乐器，它是不是能够更快地学会演奏另外一种乐器，人类是这样的。这再次关系到发育设计原理：一种技能的学习将会引导帮助另外一种技能的学习。人类已经开发了演奏各种乐器的机器人，麻省理工学院的Matt Williamson还精心制作了Cog机器人，它能够打鼓（Williamson，1999）；

丰田汽车公司也已经开发了吹喇叭机器人，年轻的机器人学家Koji Shibuya正在制造拉小提琴机器人，名字叫kansei，在日语中是敏感和感性的意思。从完全智能体的角度来说，问题在于以复杂方式进行的行走和移动的能力以及说话的能力（这些能力需要大量不同的传感器）到底在多大程度上与学习如何吹长笛是本质上相关的。这种想法还没有考虑进去，但是从完全智能体的角度来说这却是显然的。它经常让我们回忆起McFarland关于人格化的警示――WF-4显示出某种令人印象深刻的技能的事实不代表它也具有人类其他的能力。

在继续讨论关于拥有社会技能的机器人之前，让我们简要观察其他几个著名的拟人机器人：Asimo，Qrio，HRP-2以及Cogniron。在这本书中我们已经多次提到了Asimo，这个机器人原先的目的是为了开发行走功能，但是现在由于它的行走能力已经得到充分的改进，因此如第3章所讨论的那样，其他的行为能力也得到开发（挥手、提包裹、上下楼梯、跳舞、握手、交谈、视觉能力、识别面孔还有连接因特网等），增加了它作为机器人伙伴方面的潜能。索尼版本的拟人机器人Qrio，尽管只有58cm高，但是它主要是为娱乐而设计的，而不是为做家务杂事设计的。总

的说来它有相似的特征，它能够展示的行为很广泛。154cm高、58kg重的HRP.2是在日本拟人机器人项目（这就是它名字的由来）中开发的HRP机器人的一种，它由Kawada公司设计生产。HRP机器人的主要设计目标之一是与人类合作。例如，它们应该能够帮助医院里的病人，向他们示范如何进行锻炼，陪他们散步，和他们交谈，为他们送餐。HRP-2有一些特殊的与众不同的技能，当它摔倒时它能够立即站起来，当和人在一起的时候，它能组织一个大型讨论，这是一个需要高端感觉技能的精妙的合作任务。

尽管这三个机器人Asimo，Qrio和HRP-2都展示了相当的行为多样性，与多样性一顺应性的部分要求相一致，但是它们只是有限地利用了它们周围环境来完成任务。例如，直到今天它们还没有开发被动动力学，形态学计算（使用人造肌肉完成一部分的控制以充分利用材料特性）的观念也没有结合进来，因此它们大部分的行为事实上都是预先程序化的。但就在开发拟人机器人上所遭遇的技术挑战而言，所取得的成就也是令人印象深刻的。在我们让伙伴机器人能真正名副其实之前仍旧还有很长的路要走。它们不仅需要改进它们的感觉一运动机能，还需要改进它们的社会沟通技能。

虽然伙伴机器人的原形无一例外的都在日本，但是这股“潮流”已经传到了美国和欧洲。例如，Cogniron项目（它的名字表示“认知伙伴机器人”）也专注于制造能够分享它们的生活空间并与人类自然交互的拟人机器人。Cogniron 是一个欧盟支持的大型项目，整个欧洲有十个研究所一起精诚合作。这个项目的目标是研究具体的机器人应该具有怎么样的知觉、推理和学只技能使其能在以人为主的环境中运作，真的是一个宏伟的目标！能够预期他们的机器人将会如何顺应设计原理以及这种机器人能够教给我们怎么样的智能，真是令人激动万分。