机器人前传:500多年前,原始机器人都长什么样?

机器人前传:500多年前,原始机器人都长什么样?

早在五百多年前列奥纳多·达·芬奇(以下简称达·芬奇)这个大天才写了大量关于自动机描述,在他的个人笔记中也充斥着各种机械发明的构思,比如弹簧驱动的汽车机器狮子。有记载称,达·芬奇在1515年将一只机器狮赠给法兰西国王,当狮子自己走到王位前,狮子的胸部就会打开并献出“鸢尾花”。

当然,达·芬奇的手稿中最特别的、最具有挑战的发明要属日耳曼装甲骑士,就如《维特鲁威人》一样,这个骑士也是达·芬奇在解剖研究方面有关人体比例的部分成果。研究者们通过对保留下来的达·芬奇草图的分析,了解到这个骑士由安装在外部的机械曲柄驱动并且通过缆绳和滑轮实现坐起、站立、转头、开合嘴巴以及举起胳膊。虽然如今没有这个自动机制的全部草图,证据表明在米兰伯爵的政治庇护下达·芬奇可能已经建造了这个骑士原形。

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达·芬奇创造这个机器人目的是解释:人类的身体在结构上也是一个机器(一种以化学为基础的机器)并且人类的复杂动作可以通过使用工程机械零件如杠杆和滑轮来模仿。

在那个时代“可编程”是通过滑轮、绳索及控制杆等实现这让笔者突然想到去年八月,IBM研究院发布了一款颠覆传统计算模式的认知计算芯片“SyNAPSE”。这个芯片突破传统的冯·诺依曼计算范式进行数据处理,模仿大脑的驱动、分布和并行处理过程。可见,我们现在依然延续着对这个假说的印证。

美国国家宇航局(以下简称NASA)很重视达·芬奇的手稿,因为达·芬奇的人体解剖图是目前公认的最简单和详细的,比的上现在科技的任何产物。NASA的机器人不会永远探测陨石和考察地貌,NASA重视达·芬奇机骑士目的是总有一天机器人会在国际空间站工作并且最终协助移民火星。下图是达·芬奇解剖图与现代三维成像的精准度比较:

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基于达·芬奇的骑士设计的基础和灵感,NASA机器人专家马克·罗塞姆(Mark Rosheim)花了五年时间重现了达·芬奇的骑士——“Anthrobot”,同时他也是创造“Anthrobot”这个名字的人,这个名字由两部分组成:“Anthropology”人类起源与发展的研究和“Robot”自动机械、机器人。

马克考虑到至今机器人专家们还不能够解决正确复制肌肉和关节的运动这个问题,对达·芬奇的骑士十分感兴趣。当读到卡洛·佩德瑞提(Carlo Pedretti)的书时,他从这位意大利学者的记录中发现了达·芬奇丢失的笔记,这其中包括机器人骑士。于是马克开始前往拥有四百多年历史、保留一部分达·芬奇笔记的佛罗伦萨,住在这个地方的日子中,他也去经历了当年达·芬奇走过的相同的街道。

之后,马克开始了他的项目。

首先,马克将达·芬奇素描画的男性骨架结合钢铁金属构建达·芬奇设计的全部运动关节。达·芬奇的绘画就像他现在所做的这些工作的支柱,这使他更深入地理解达·芬奇的骑士。然后,为了更好的模仿身体的正确运动方式,马克将绳索绕在主齿轮的轮轴上,绳索松紧变化使机器人的四肢随着绳索松紧摆动从而实现肌肉、肌腱和韧带功能。就机器正确模仿人类运动这个过程而言,关节通常是会出现最多问题的地方,其中手腕的设计是一个最困难的瓶颈。然而,借助达·芬奇的研究成果,马克找到了一种实现手腕全部动作的方法,为机器人拥有灵巧双手打下了基石。最后,马克使用复杂电脑动画程序来构建达•芬奇的骑士,并将其提交给了NASA。NASA希望将来基于达·芬奇骑士设计灵感的“Anthrobot”能维护空间站的系统,特别是在人类不在现场的时候。“Anthrobot”也将被用于火星相关任务,我们很容易理解机器人的职责:想象NASA向他发送的数字命令和计划,然后他就像一个人类工程师该做的一样完美的进行着而不需要任何休息。

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1540年意大利发明家GianelloTorriano发明了一个可以演奏曼陀林的女机器人,在那个时代为人们提供简单的娱乐。如今,这个美女机器人依然在维也纳艺术史博物馆中陈列。笔者未找到关于这个机器人的详细记载,下图为演奏曼陀林的女机器人。

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大约十年后, “机械修道士”的诞生引起了不小的轰动,这个杰作由Juanelo Turriano(发明家兼钟表师)在1560年左右完成。已经有450岁的“修道士”至今仍被陈列在华盛顿的史密尼森博物馆,而且它的所有功能完好无损。

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这个“机械修道士”高约15英寸,它的动力装置包括一圈圈的弹簧、铁制的凸轮和控制杆,还有隐藏在斗篷下的三个用于移动的小轮子。他能在四方形的范围内行走,有节奏地点头并时不时地举起右手敲打胸口,举起和放下左手将木质十字架和念珠戴到另一只手上,同时,他不时地把十字架带到他的唇边上亲吻它。这个人形机械装置看上去栩栩如生,像真正的修道士在虔诚的祈祷一样。

在这个机器人背后还有一个小故事:西班牙国王菲利普二世对其小儿子的誓言。当时菲利普国王的小儿子头部受了重伤,国王悲痛欲绝。国王找了许多医生仍不能治好王子的病,于是他向上天祈祷:如果儿子的病能治好,就还给上天一个奇迹。好像老天爷真的听见了这位慈父的真切请求,王子的病最终奇迹般地痊愈了。菲利普国王履行了诺言,重金悬赏了这位Juanelo Turriano大师,大师制造了这个以圣人Diego为原型的机械装置。

当然,并不是所有的原始机器人在机械自动化上创造的奇迹都是声名远扬的,1769年匈牙利作家兼发明家沃尔夫冈·冯·肯佩伦(Wolfgang vonKempelen)建造的土耳其机器人(Mechanical Turk)因被视为能够跟国际象棋高手对弈的机器人而一度名声大噪,但在几年之后,这个骗局最终被揭穿:机器人之所以会下棋是因为箱子里藏着一个象棋大师。

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土耳其机器人由一个枫木箱子跟箱子后面伸出来的人形傀儡组成,傀儡穿着宽大的外衣,并戴着穆斯林的头巾,它能自动而快速地下象棋,用复杂的齿轮和杠杆系统来移动棋子。这个机器人在维也纳皇宫首次表演就迅速击败了对手Cobenzl伯爵,让在场的皇室成员都十分兴奋。从此肯佩伦带着这个大名鼎鼎的机器人在欧洲各地进行表演,击败了一系列著名的挑战者,这其中包括拿破仑和本杰明·富兰克林。

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虽然“土而奇”机器人在自动化上存在猫腻,但值得注意的是,象棋大师用一个磁铁系统来跟踪对手的举动并移动自己的棋子,这实际是在模拟一种人工智能亚马逊就2005年推出一个叫土耳其机器人(Mechanical Turk)的服务,其理念就是让人力众包来完成电脑力有不逮的细碎、精确的智能工作。这种众包让计算机调用人的智慧智能,把人和电脑的角色颠倒过来,让人成为任务的完成者,而电脑成为任务的分配者。

在这个“土而奇”机器人诞生年代里,笔者最后打包介绍一组原始机器人。说起它们的创造者,大家也许并不陌生,瑞士表Jaquet Droz是世界上最古老的钟表品牌之一,而公元18世纪钟表界诞生了两位钟表天才,其中一位就是机器人的创造者杰奎·多斯(Pierre Jaquet-Droz)。跟其它钟表大师不同的是,杰奎·多斯除了热衷于钟表外还将自己的心力投注到制作极尽复杂的机械装置上,他将自己毕生专研数学和机械所获得的知识传授给他的儿子小亨利(Henri-LouisJaquet-Droz)以及徒弟基恩·弗雷德雷克(Jean-FredericLeschot),三个人一同创作出了历史上最著名的三个机械人偶:“画家”TheDraughtsman 、“音乐家” TheMusician和“作家”TheWriter。

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1768年他首先制造了叫做“作家”的人偶机器人,这个机器人高约两英尺。“作家”利用的主要是凸轮技术,凸轮随动机件根据不同凸轮让机器男孩的手臂做出各种动作。凸轮不仅控制男孩的每一次落笔,同时也精确地控制鹅毛笔在墨水瓶中蘸取墨水和下笔力度。“作家”内部配有纯手工制作的6000多个零件,理论上由凸轮控制的飞轮包含所有标点符号和字母(事先编程好的40个字母),可以以任何顺序排列组合,进而在纸上流畅地写出所有单词。这里笔者分享一个介绍“作家”内部结构的视频:

“作家”诞生之后,杰奎·多斯与他的儿子小亨利、一个叫做基恩·弗雷德雷克的同事,基于同样的原理,一同制造了另外两个机器人。其中一个叫做“画家”,它可以画出四副不同的肖像画:丘比特驾驭着由一只蝴蝶拉着战车的情景、路易斯国王十五世、一只狗并在空白处写着“Mon toutou”(我的小狗)以及王室夫妇(普遍认为是路易斯十六世和其王后玛丽·安托瓦内特)。“画家”也利用凸轮系统二维编码手部动作,使手部操控铅笔。同时,这个男孩可以在椅子上移动,并且他可以定期清除笔上灰尘。

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最后这个女孩叫做“音乐家”,它可以用风琴演奏5种不同的歌曲。不是由一个音乐盒记录和播放,这个女孩实际上更像一个专门定制的由手指按压琴键的仪器。每个机器人的眼睛都会随着动作的变化而移动,同时,“音乐家”的胸部还可以随着演奏时的呼吸而起伏,就如一个真正的演奏家的姿态一样(如会平衡躯干)。

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杰奎三人的这些发明让欧洲18世纪晚期的的皇宫贵族们叹为观止,最后被收藏在了瑞士的一个博物馆内。至今,这些发明仍然能写、能画、能弹,让今天的人们也同样赞不绝口。

笔者主要以介绍人形机器人的祖先为主,虽然历史上还有不少其它自动机械如:公元前1400年巴比伦人发明的漏壶、公元前270年左右古希腊发明家特西比乌斯(Csestibus)发明的水钟以及1737年法国发明家雅克·沃康松(Jacques Vaucanson)制造的发条鸭子等。但在笔者看来能通过机械装置模仿人类这个高级生命体是最神奇的,特别是在没有电的年代,这些诞生的全自动化的、有程序性的机械,和人类具有同样大小的复制品,可以运动的“活物”——原始机器人。最后和大家分享一本书:

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