今年初，春晚上的人形機器人又一次掀起了大眾對於機器人的討論熱潮。
機器人的技術發展到哪裡了？
它們能做什麼、不能做什麼？
又會給人類帶來怎樣的挑戰與機遇？
在解答人工智慧及機器人相關問題這一塊，很少有人能比丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）更資深。她是世界頂級機器人專家，麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室（MIT CSAIL）主管，也是CSAIL的首位女性掌門人。在人工智慧界，她的名字常常與李飛飛等女性領袖並列。
魯斯的機器人之夢始於兒時接觸的科幻作品，又在學生時代進一步發展為科研志向。她對於推廣機器人技術發展有著無限的熱情，她的網站首頁上寫著兩句話：“我想象的未來裡，機器人融入人類生活方方面面，以至於它們變得像如今的智慧手機一樣普遍。機器人學領域有著巨大的潛力，能夠在工作、居家以及娛樂等各個場景中極大地提升我們的生活質量。”
在她的新書《心與芯：我們與機器人的無限未來》中，魯斯介紹了關於機器人的基礎知識、自己及其他一線科技工作者的研究進展與成果，向大眾展示了機器人與“魔法”之間逐漸拉近的距離。
這是一部不可多得的機器人科普之作。你可以看到各式各樣的機器人，瞭解技術的突破與難關，像機器人專家一樣看到機器人與人類協同的世界。
讓我們一起見證魯斯教授如何把機器人之夢變成現實，又如何著手創造下一個未來。
魯斯生長在共產主義國家羅馬尼亞，愛讀儒勒·凡爾納的小說，經常想象自己乘坐神奇的交通工具去往遙遠的地方。科幻作品激發了她的想象力，她很快沉迷於機器人之夢。
高中畢業時，她們全家移民到美國。在愛荷華大學讀本科時，魯斯的研究興趣是計算機科學、數學和天文學，她希望與從事科研工作父母一樣專攻理論研究。但臨近畢業時，一次經歷改變了她的職業生涯。
著名的計算機科學理論家約翰·霍普克羅夫特（John Hopcroft）來到她的學校演講。約翰說：“經典計算機科學問題已得到解決。沒有什麼重大的未解之謎等待探索。但它也有積極的一面，我們正步入一個全新的時代，其特點是計算機技術的廣泛應用。”
約翰最熱衷的應用是機器人技術，他認為那是計算機與物理世界互動的一種方式。之前設計的應用是為計算機建立精確、可預測的環境，但現實世界充滿不確定性和誤差。我們如果希望機器人在混亂的世界中執行，就要開發新模型、新演算法和全新的方法。
這一任務無比艱鉅，讓魯斯躍躍欲試。她決定到約翰所在的康奈爾大學攻讀博士學位，讓機器人之夢變成現實。
然而，在她讀博期間，當她設計了一些演算法幫助機器人抓取和操縱目標物體後，她發現：“我有漂亮的演算法，在模擬中也非常有效，但就是沒有機器人可以實現演算法所需要的那種力和力矩。”
魯斯意識到，為了賦予機器人真正的能力，它們的大腦和身體需要實現同等的進步。她說：“你需要一個能控制身體的大腦，但是身體必須能夠完成你給它的任務。因此，你需要考慮身體的能力，然後科學和數學才能賦予身體所需要的控制系統。”於是她決定，不僅要研究機器人的大腦，還必須構建其身體。
那麼，製造機器人需要什麼。首先，要給智慧機器下個定義。
魯斯認為：機器人是一種可程式設計的機械裝置，它從周圍環境中接收輸入資訊，處理所獲取的資訊，然後根據輸入資訊採取物理行動。換句話說，機器人是能夠執行“感知 – 思考 – 行動”迴圈的機器。
如果無法同時滿足這三個標準，它都不能稱為機器人。否則，我們就要稱任何機械裝置為機器人了。鬧鐘這類裝置可以接受輸入並做出行動，但感覺不到世界或周圍的環境。如果鬧鐘在你未及時關閉時，能從桌子上跳到床上叫醒你，我們才可稱其為機器人。
機器人的身體由多個部分組成。首先是底架。我們可以將其視為機械元件，或者機器人的“骨架”。接下來，要新增機電元件，包括感測器、發動機以及被稱作“致動器”的人造肌肉。將這些元件連線到底架的不同部分，機器人就可以在發動機和致動器的作用下移動，透過攝像頭和各種感測器感知周圍發生的事情。
為了幫助機器人實現更大的規劃，接下來我們要新增一臺計算機，它是機器人的大腦，能夠儲存資料、處理資訊，向所有發動機和致動器發出具體指令。例如，如果我們命令機器人行走，它要將高階指令分解為許多工和子任務，這些任務告訴發動機和致動器具體要做什麼，何時做，或按什麼順序做。
機器人還要有安置專用電子器件和軟體的中間層，它位於機電元件和中央計算機之間，如此一來，機器人的大腦就可以收集來自感測器的資料，將指令傳送給發動機和人造肌肉。我們可以將中間層想象成人類神經系統的一種人工形式。
總之，機器人的身體由5 個基本部分組成：
（1）底架
（2）機電元件（如感測器、致動器、電纜和電源）
（3）計算硬體（如處理器和儲存器）
（4）通訊基板（連線機電元件和計算硬體）
（5）大腦（對機器人執行所需的演算法進行編碼的軟體，用於管理感知、規劃、學習、推理、協調和控制）
機器人的大腦是如何思考的？
機器人的大腦由數十個獨立且相互連線的演算法組成，每個演算法都是為特定的工作而設計和最佳化的。我們將這些演算法的連線方式稱為大腦的結構。例如，規劃結構以及多種型別的學習結構。機器人大腦的軟體是由單個程式組成的網路，包括高階人工智慧引擎和控制電機運作方式和時間的低階控制器。一種運用廣泛的規劃和推理系統是“斯坦福研究院問題求解器”，縮寫為STRIPS。
諾貝爾獎得主丹尼爾·卡尼曼在其著作《思考，快與慢》中提出假設——人類的大腦有兩個決策系統。系統1 執行速度快、不易察覺、訴諸直覺且不精準。在執行日常體力活動時（比如走路、爬樓梯、扣襯衫釦子、彈鋼琴），它控制著我們的無意識決定。系統 2 執行速度慢，深思熟慮，通常用於需要邏輯和集中注意力的決策任務，例如寫程式碼、下棋或整理衣櫃。
機器人智慧也有類似的分層，但如果人類有兩個系統，那麼機器人至少有 4 個系統。假設你要求機器人為她端來一杯咖啡。在規劃和執行這項任務時，機器人大腦的 4 個層次之間有不同的分工，具體來說大致如下。
（1）認知控制器：將要求（“來一杯咖啡”）轉換為一系列可實現的任務。它們幫助機器人做出決定，如果咖啡消耗殆盡該怎麼做——是訂購，步行到商店購買，還是詢問周邊人類的建議。認知控制器在高度抽象的水平上執行，其行為涉及推理、問題解決和決策制定。
（2）任務控制器：決定機器人需要做什麼才能實現目標。要取咖啡首先得穿過房間，因而需要一個執行此操作的運動規劃。取到咖啡，還要有移動、操作杯子和咖啡壺的規劃。任務控制器是執行特定任務或動作的控制系統。
（3）高階控制器：掌控著作為整體的各個物理元件的運動。例如，怎麼做才能讓機器人以三足步態行走，以及如何將腿從當前位置移動到目標位置；它們協調低階控制器，讓腿以正確的方式移動，並將其他腿與身體的運動和位置作為一個整體來考慮。
（4）低階控制器：準確地告訴各個關節（比如腳踝、膝蓋和抓手）中的電機要做什麼、何時做以及做多久。
取咖啡這個動作對人們來說既直觀又簡單。但將其構建為機器智慧要難得多，必須對每個步驟進行程。魯斯表示，製造機器人讓她更加欣賞人類無與倫比的腦力和體力天賦。人類遠比所有機械都節能，一個蘋果或巧克力棒就能讓人度過一上午，而機器人需要多次充電才能完成同樣的活動。人類推理、思考和適應新形勢的速度非常快，擁有強大的創造力。
科幻小說作家阿瑟·克拉克有句經常被引用的名言，“任何足夠先進的技術都與魔法無異”。
魯斯更喜歡另一種說法，“魔法只是我們還未發明的技術”。兒時的機器人之夢仍是她現在追逐的目標，並且隨著她的成長變得更大膽。
她會在遇到各種不便時思考：要設計什麼樣的機器人來解決問題。比如遇到堵車時，能不能按下按鈕讓汽車升空？或者自動駕駛足夠成熟，能夠讓她在通勤時間專心辦公。又或者乾脆棄車而去，穿著帶翅膀的外骨骼或機器人服，像超級英雄鋼鐵俠一樣飛著去上班？
這些想法並非異想天開。汽車機器人有很多需要改進的地方，但還可以透過提高公路的智慧化水平，讓自動駕駛汽車的設計更容易些。比如在繁忙的路段配備感測器和智慧裝置，如此一來，汽車的能力就不僅取決於其自身的感測器，而是會與其他車輛、道路、配備感測器的護欄等通訊，掌握自身之外的情況，實現安全高效的駕駛。
儘管鋼鐵俠的戰甲是虛構的，但在過去幾十年裡，可穿戴機器人領域取得了激動人心的進展。與好萊塢的機器人形象——笨重、僵硬、堅固——迥然不同，魯斯設想的是像衣服一樣的外骨骼：輕軟，柔韌、美觀、低調，還能監測肌肉和生命體徵，從而增強我們的能力，提醒我們注意健康，防止跌倒。這樣的可穿戴機器人將在醫療康復、工廠、日常生活中發揮廣泛的作用。
在家務活中，魯斯討厭倒垃圾，也懶得處理回收品。如果垃圾箱是可以自動倒垃圾的機器人會怎樣？如果有一臺冰箱機器人，就可以感知過期食物，提醒人們哪些食物需要扔掉。我們已經有了掃地機器人、送外賣機器人、自動售貨機器人。未來，我們可以新增能完成抓放任務的機械手，建立更全能的家政機器人。
上述所有功能在技術層面都可能實現。魯斯的目的並非讓人們變成《機器人總動員》中退化的人類，她制訂有關人與晶片協作的宏大規劃，是讓晶片為人類節省時間，讓人們專注於人類適合的事——創意思考和人際交流。
當我們把視野擴充套件到海洋、太空，抑或難以觀測的微觀世界時，機器人也能輔助我們觸達更多領域。魚一樣的機器人SoFi可以遨遊海底而不驚擾魚群，能跟蹤、記錄、監控海洋動物，還有可能與它們互動；塗上了某一蟑螂族群資訊素的機器人能夠潛入蟑螂群落，深入瞭解昆蟲的社會行為；太空中的機器人可以成為人類探索宇宙的前哨戰；手術中的機器人可以幫助醫生完成精細化操作……
透過與智慧機器人的密切合作，我們可以延伸感知、增強力量、節約時間、拓寬邊界、釋放想象力，實現很多曾經無法想象的事情。在魯斯的眼中，我們與機器人的未來是無限光明的，只要我們用好這個工具。
魯斯在書中描述的機器人展現的只是少數可能的應用。在這個機器人能力日益增強、任務導向的世界中，什麼樣的機器可以幫你提升效率？你希望機器人替你做什麼？也許你有更好的方法，可以利用機器人跳得更高，或在牆體上攀爬，那就去建造吧——魯斯真誠地鼓勵你去做。如果你有一個科幻夢，請開始繪製草圖、建造和測試。
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