1.3 讓機器學走路

一說到機器人，大家通常都會想到一個像人一樣的機器，就算它長得不太像人，也會像科幻大片里的各種機器怪獸或異形那樣。其實，大多數機器人長得完全不像人和任何怪獸，更多的工業(yè)機器人甚至都不會行走和移動，它們固定在自己的工位上，周而復始地完成著固定的生產任務。

最早的可以自行移動的機器人出現在1968年，它有一個名字叫Shakey，按照發(fā)音我們就叫它沙克依吧。這個名字的英文原意是“搖搖晃晃的、不穩(wěn)定的、不牢靠的、可能出問題的”。用這樣一個名字形容世界上第一臺可以自行移動的機器人，不但幽默，而且形象，畢竟這個機器人就像孩子開始學走路一樣，搖搖晃晃，不穩(wěn)定，不牢靠，可能出問題。這些都是正常的。

1963年冬天，斯坦福研究院神經網絡研究領域的領導者查理·羅森提出了開發(fā)一個可以自由行走的機器人的設想。當時，他想把模式識別、神經網絡和人工智能編程技術綜合起來，打造一臺可以自行識別環(huán)境、自行“按圖索驥”、自行移動的機器。為了更有把握，他特意請來了另一位大名鼎鼎的人工智能之父明斯基作為顧問，還一趟一趟地到美國國防部游說，讓他們出錢資助這個項目。折騰了快3年，該項目終于成功立項，并獲得了美國國防部的一筆不菲的經費，于1966年春季正式開工。

一個像工具車一樣的機器人很快就初具雛形。當時它在移動過程中突然停止時會震動搖晃，開發(fā)人員就給它起了這個有趣的名字“沙克依”。沙克依由運動部分、感應部分和控制部分等組成。運動部分由發(fā)動機、車輪和機械驅動裝置構成，感應部分包括激光測距儀、路障感應器和一臺電視攝像機，控制部分則是一臺由DEC公司生產的小型計算機PDP-10。以今天的眼光來看，沙克依似乎有些簡單，它完全沒有人的模樣，倒是像一輛無人駕駛的小車，所能做的事情也只是在研究院的樓道和房間里轉來轉去，把可能擋路的障礙移開，但這在當時是一項史無前例的創(chuàng)新。它所蘊涵的很多技術理念沿用至今。

沙克依

沙克依行走時遇到的第一個困難是它在充滿障礙的房間里如何確定自己行走的路徑。它要能夠發(fā)現前進路線上的障礙物，一方面避免碰到障礙物，另一方面繞過障礙物繼續(xù)向目標前進。在技術上，這是一個路徑導航問題。研究人員運用了一種網格標記方法，讓沙克依能夠標記和記住它四周的環(huán)境，然后通過搜索確定繞過每一個障礙物的路徑。在人工智能技術中，今天我們把這種通過不斷探索得到答案的方法叫作認知學習。

沙克依行走時遇到的第二個困難是它如何規(guī)劃自己的行動。當沙克依需要在復雜的環(huán)境中行走時，它可能要處理的問題就不只是發(fā)現障礙物那么簡單。比如，讓它從一個房間中走出來，通過走廊，進入另一個房間，遇到不能繞過的障礙物時，還要搬開障礙物，清理道路。這就涉及一個包含多個行動內容的規(guī)劃問題，在人工智能技術中稱之為“框架問題”。對于人類來說，這很簡單，但對于計算機來說就不一樣了。如何簡潔清楚地表達這些情況，如何處理、協調每一個動作，如何形成一個包含多種動作的行動方案，計算機需要完成大量的計算和數據存儲工作，復雜程度可能超出計算機硬件能力的許可。該項目于1966年開始啟動，到1970年才最終找到一個良好的解決方法。在人工智能的發(fā)展中，每前進一步背后付出的努力都是十分巨大而鮮為人知的。在這個方法中，沙克依可以在2分鐘內完成6個動作的規(guī)劃任務。這個方法中的一些核心技術至今還出現在人工智能規(guī)劃方面的應用中。

沙克依行走時遇到的第三個困難是它如何了解它所處的環(huán)境，識別出房間、走廊、地面、門、墻壁和大小不同的障礙物。沙克依的“眼睛”是一臺電視攝像機，它必須對它“看到的場景”進行圖像處理和識別，并結合激光測距儀給出的距離和位置，將其在路線圖中標識出來。不同的光線、不同的角度、不同物體的形狀，讓圖像處理和識別遠沒有聽上去那么容易。研究人員為了簡化被識別的環(huán)境，把房間里的墻壁涂成淺色，又用深色墻角板讓地面和墻壁能夠在顏色上容易區(qū)分開來。他們還把不同形狀的障礙物都涂成紅色，讓障礙物變得“與眾不同”，易于識別。即便如此，當時沙克依感知和分析環(huán)境、規(guī)劃行動路線和方案往往需要幾個小時的時間。

但不管怎么說，沙克依是世界上第一臺全面應用人工智能技術的移動機器人，它能夠自主進行感知和環(huán)境描述，并通過行動規(guī)劃來執(zhí)行指定的任務。關于它的研究成果影響至今。2004年，它光榮地進入了美國機器人名人堂。2006年，美國高科技雜志《連線》把它列為世界上最負盛名的第五個機器人，而排在它前面的有兩個是科幻小說中的角色，另外兩個則是出現于其后的登上火星的機器人，所以沙克依才是名副其實的機器第一人。今天，它被光榮地收藏在位于硅谷的計算機歷史博物館里，驕傲地向世人展示著它的歷史成就。

位于硅谷的計算機歷史博物館