前言

從Walter的海龜機器人開始，技術已經發展了很長時間，我們現在能夠為擁有ASIMO、PR2、NAO和Pepper這樣先進的機器人而自豪。我對這個研究領域很有興趣，這歸功于我的學術背景，我曾經參與的各種開源機器人社區（Player/Stage、ROS、MORSE等），還有我的教學任務以及與學生一起進行的項目。最重要的是，我像孩子一樣渴望制造機器人。我不能自拔地把過去十年學到的幾乎所有東西都湊在一起，就像我們知道的那樣，機器人技術和人工智能確實能改變我們的世界。在全書十章的內容里，我對各種各樣的研究者進行了思考，如Braitenberg、Dennett、Brooks、Arkin、Murphy、Winfield、Vaughan、Dudek、Dorigo、Sahin、Bekey、Abney、Wendell、Takeno、Bringsjord和Anderson夫婦，這些讓我印象深刻的人為我展現了通往正確道路的奪目光輝。除了這些學術上的影響和激勵之外，科幻小說，特別是艾薩克·阿西莫夫、Philip K.Dick、Arthur C.Clarke、Cory Doctorow、Peter Watts等人的作品，指引我去研究人工智能和機器人的各個方面以及它們對人類社會的影響，并幫助我在本書中闡述想法。

此外，我還受到了一系列電影的影響，這其中有標志性的描述機器人的電影如Wall-E、IRobot，以及經典電影如The Metropolis、Blade Runner和West World，還有最近的Interstellar、Real Steel、Robot and Frank、Big Hero 6和Ex-Machina。

本書致力于向讀者介紹在過去四十年中基于智能體的機器人所取得的成就，以及使用易用的電子和開源工具實現這些概念的方法，也介紹了多機器人團隊、群體機器人和人機交互，以及在機器人技術中開發人工意識方面做出的努力。最后一章通過超級人工智能和技術奇點的預言展望了人工智能和機器人技術的未來。

本書的旅程從古希臘神話開始，以一個關于未來預言的爭論結束，即人類和技術將融合在一起以創造出高等生物作為我們進化途徑上的繼承人。從赫菲斯托斯、Philon、達·芬奇、特斯拉、Walter、Toda、Moravec、Braitenberg、Brooks到庫茲韋爾，本書采用了實例、圖片、與專家一對一的訪談、圖解、漫畫等方式，內容生動活潑。

本書共涵蓋如下七大主題。

1.人工智能與應用人工智能

任何學科的理論和實踐總是有一定的差異，課堂教學的啟發與實驗室、工作室或工業中的實際應用本身就存在差異。這樣的情況對于人工智能來說更多見。根據我的經驗，這個問題常常被歸結為是“學習人工智能”還是“制造機器人”。Russell、Norvig、Rich、Knight這些人工智能中的杰出范本實際上對構建機器人并沒有多大幫助，你必須挖掘在線教程、YouTube視頻等去學習如何建造機器人。機器學習也是如此，一篇文章可以為學生介紹神經網絡，比如，Bishop可能是你了解這門學科的最好途徑，但是要想構建一個神經網絡，學生必須找到合適的C或Python庫。理論和應用之間的橋梁（如圖1所示）不僅距離遙遠，而且要求人們具備不同的能力。需要補充的一點是，人工智能本身不足以制造機器人，由于機器人的特性，它還需要利用電子、機械設計、傳感器設計和其他交叉學科的知識來實現。本書嘗試縮短這個橋梁，并希望通過將概念與實際應用相互聯系，讓讀者更容易跨越它。

圖1　從人工智能到應用人工智能的橋梁。（對于初學者來說，這兩個領域代表了兩個不同的學科。本科生會發現很難看出人工智能學說的收斂性。例如，規劃、搜索和知識表達是制造機器人的哲學基礎和分析工具，但在初學者階段，它簡化為簡單的編程腳本、傳感器與電機的接口，這樣更便于設計。因此，人工智能和機器人之間的相關性對年輕的愛好者來說可能不是很明顯）

這些應用包括第2章和第3章中的設計簡單的行為，第4章中的導航，以及多機器人系統和群集，其中許多補充了來自實際場景的示例、算法和軟件介紹。導航的獨特性在于它是一種基本行為，也是一種設計工具。第5章有幾個關于硬件的例子，用來激發機器人愛好者的想象力和創造力。

2.協商與反應及關聯性問題

這兩種有關基于智能體的機器人技術的實現途徑的爭論是由Rodney Brooks在20世紀80年代中期進行開創性工作時引發的。然而，這種思想可以追溯到行為主義和現象學。行為主義是斯金納通過19世紀90年代末巴甫洛夫、Thorndike的工作在20世紀50年代確立的一個心理學分支學科。Husserl、海德格爾和Merleau-Ponty在現象學領域的哲學發展幫助鞏固了情境性概念與主體性概念。Walter、Toda和Braitenberg這三位大膽的科學家分別在20世紀40年代末、20世紀60年代中期和20世紀80年代初希望創造出人造生物，所以分別獨立地將這些想法吸收到了機器人技術中。Walter在他的海龜模型中明確展示了行為設計，Toda提出了自主主體的第一個模型，而Braitenberg的理想實驗表明，簡單的主體可以帶來非常先進的性能。這些獨立的結論形成了基于行為的機器人的基本原理。

框架問題和關聯性問題是機器人設計中固有的麻煩，這也構成了爭論的核心。這個問題不能被根除，只能在基于行為的范式中完全避免，或者在PENGI這類軟件中考慮把它處理到最小化。與此形成對比的是，我們人類可以“在運行中”“解決”框架問題。目前，大多數機器人都具有協商式和反應式模塊，并輔以機器學習能力，因此至少克服了在一個幾乎已知的環境里含有的低級重復行為的關聯性問題。然而，這個令人討厭的麻煩一次又一次地出現。功利主義與道義論關于自動駕駛車輛的爭執正是協商式與反應式爭論的直接擴展，所有道義論使用的方法都被視為與預先設定規則的“框架”相關聯，而功利主義原則基于即時性。此外，就像第9章中討論的那樣，大多數開發自主意識機器人的嘗試，實際上是對關聯性問題的探究：鈴鼓的動態與它的拍子有關嗎？看鏡子時機器人會發現自己的影像嗎？機器人能懂得適當的因果關系，并將動作與結論聯系起來嗎？毋庸置疑，我希望相信只有當機器人能像人類一樣用五種感官解決框架問題時，它才是有意識的。

Fodor聲稱由于框架問題，人工智能已經消亡了。過去二十年的研究讓我們看到，有關框架問題的爭論已經豐富了人工智能的內涵。

3.工程機器人行為

我認為了解行為最好的參考書就是Ronald Arkin的巨著Beha-viour Based Robotics，Richard Vaughan和Alan Winfield的著作和這本書中的相當一部分內容都記錄了機器人預期行為工程學。

反應式系統比協商式或混合式系統運行得更快、更容易設計，它們不需要像照相機或激光掃描儀那樣井然有序的硬件。通過對比可以看出，由于行為是自然發生的，所以很難設計有預期表現的架構。像“追蹤光源”或“跟隨線條”這樣非常簡單的行為，很難顯示出智能體與環境之間的內在聯系。群體機器人和Braitenberg的小車模型有助于說明這樣緊密的關系以及設計的易化性與性能的不可預測性之間的對比。Gerardo Beni非常巧妙地總結了這一現象，認為機器人的行為融合了不可預測性和尋求秩序這兩種完全不同的想法。在過去的三十年里，機器人行為的定義已經被修改，在未來幾年可能會進一步被修改。

Walter的海龜理論是基于智能體的機器人的開端，但Simon和后來的Toda通過它設想了一個具有路標和多目標的自我維持的移動主體，它可以在補給和工作之間進行權衡。食菌者在遙遠的行星上開采鈾并收集真菌，而真菌消化則為它們提供了能量，Toda的模型也是早期的路徑規劃模型?；鹦翘綔y器可以說是現代食菌者的化身，盡管它們是利用太陽能電池板而不是火星真菌來獲得能量。

20世紀80年代，Wilson的ANIMAT模型、Pfeifer的基于智能體的機器人設計和開發原則，還有Lumelsky和Stepanov的Bug算法，都基于來自大自然的靈感，簡化了自動自我維持移動主體的設計原則。

Braitenberg的小車模型包含了更多相關功能的設計，如情感、價值系統、信息對應、整理現實以供記憶、學習和進化，所有這些都來自簡單的運動感知原理。Braitenberg的小車模型在許多章節中都作為闡述的示例出現,也是本書中反復出現的主題。

人工智能的靈感來源于自然界，從行為學研究得出的設計和行為模型中的擬人靈感可以看到這種趨勢。最好的例子是：Fukuda的肱動脈運動靈感來自猿猴的擺動運動；ECOBOT系列機器人是在消化過程之上建模的；群體行為設計來自昆蟲和鳥類的交哺現象；INSBOT項目將機器人誘餌引入蟑螂群體中等。

機器人組和群體機器人之間的對比可幫助我們進一步理解如何設計一種行為的方方面面。反應式方法是多群體機器人的基礎，機器人之間的這種內聚性是一個優點，因為它能靈活地適應局部環境的動態變化，而且在不妨礙性能的情況下更容易擴大規模。然而，群體機器人臭名昭著，因為很難保證其可靠性以及將其性能標記為容錯因子。因此，設計一個預期的群體行為比一種前沿技術更能成為未來研究的課題。而設計具有協商范式的機器人組在本地Wi-Fi網絡上工作更為安全且可以預測，但是它們不太靈活、缺乏通用性且難以擴大規模。

4.類人智能復制

幾乎所有的人類活動動機都可以被歸類為生存或好奇。前者對我們的自我平衡至關重要，后者則促進了文化、社會、智力、技術等的進步。無論是在低級行為還是在復雜行為中，機器人設計都開發了這兩個方面。阿西莫夫定律記錄了自我保護，同時也編碼進了簡單機器人里，如掃地機器人。而好奇心則與現象的出現緊密關聯，也是基于行為范式的驅動力。

基于行為的方法不足以滿足倫理責任和人為意識的要求，倫理問題在發展途徑中找到了最佳答案，而有關機器人的人為意識問題已經開始在各種途徑中進行探索，機器人還沒有類人的意識行為。要充分解決倫理和意識問題，就要對人腦進行研究，機器人仍需等待在醫學、神經學和心理學領域有所突破。

5.開源機器人

機器人套件Player/Stage/Gazebo和后來的ROS是為Ubuntu安裝而設計的，有助于將真實機器人的運行和仿真領域統一起來。這些軟件套件功能以客戶端-服務器的方式運行，并鼓勵代碼塊中的眾包、按硬件設計和調整，從而建立機器人硬件和軟件的基準。ROS還整合了Arduino、Raspberry Pi、ODROID等開源硬件，使設計和開發新的機器人更加模塊化，從而向眾包開放。

6.有自主意識的機器人——不僅僅是工具、機器或奴隸

作為一個機器人愛好者，如果一本相關的圖書沒有提到艾薩克·阿西莫夫，那么它將不能得到我的認可。他對人類機器人社會的愿景是本書第8章的背景。然而，他的三條定律卻被發現是相互矛盾的。它們存在實現問題并缺乏實際應用。同樣，圖靈測試更多只是一個概念，而不是一個真正能用來區分自然和人工的工具。阿西莫夫定律和圖靈測試的這些失敗讓我們開始反思機器人到底是什么，它們是否會達到人類的標準以及它們可能會擁有怎樣的未來。人工智能的最大勝利將是機器人能夠獲得自由意志并表現出類人的感知行為，而不是把機器人歸類為工具或奴隸，這些想法將在第9章中進行討論。

在實驗室中研制擁有道德倫理的機器人已經取得了成功，它們也許很快就能作為護士和護理機器人得到應用。然而，對于機器人意識的關注仍然要么比較狹窄，要么時間比較短。

這場機器人革命勝利的不幸后果是人類會失去工作機會，這在報紙、博客、在線論壇和競選宣言等廣泛領域引發了激烈爭論。如果這種趨勢繼續下去，我們可能很快就會有一個現代的盧德革命，它可能改變我們的社會規則和經濟體系，并要求對自動化和人工智能的使用加以限制。對于人工智能最偉大成就的諷刺并沒有就此結束，機器人毀滅人類，或者占領我們的世界，以及把人類降為二等物種，這種災難性的未來現在看起來貌似會成真。領域專家預言這會是我們進化軌跡中的新達爾文式“跳躍”，這些將在第10章中討論。

人工意識會為我們帶來可能對人類造成毀滅性影響的超級智慧生物，最終導致人類滅絕嗎？這種質疑讓我想起了小時候父母告訴我的一個印度神話故事。這個故事是關于四個學習過生理學、解剖學和醫學的門徒的，他們開始磨煉處理現實世界中問題的技能。這四個人發現了一具老虎尸體，為了檢驗他們的技能，第一個門徒把死老虎的骨頭拼成了直立狀態，第二個門徒按骨骼的結構提供肌肉，這還沒有結束，第三個門徒添加了器官，第四個被認為是最聰明的人，他對自己的技能毫不掩飾，不顧其他三人的警告，賦予了老虎生命。故事的結局是個悲劇，老虎咆哮著跳了起來，吞食了四個門徒。我們把自己比喻成這四個有膽量的門徒，如果我們不夠小心，人工智能很快就會反撲到我們身上。

7.作為科學新定義的人工智能

科學是對宇宙運行的基本原理的研究，很大程度上基于實驗和觀察。這種一貫統一的知識體系是由我們的感官感知，并由我們大腦的處理能力推斷出來的。當我們走向以自動化、自我豐富的人工智能智能體和虛擬現實為主導的未來時，技術（特別是人工智能）將決定實驗和觀察的過程。因此，人工智能將成為引導我們走向科學的工具和準則。此外，人們相信，當接近技術奇點時，技術增長將打破歷史紀錄，對于我們自己掌握的生物智能來說，速度太快了。隨著人工領域處理能力的增強和信息的過剩，我們對科學是從邏輯中提取的信息和原理的統一體的定義，以及因果關系，將開始與人工智能緊密聯系在一起。

我們能夠預見，擁有驚人處理能力和獲取令人難以置信的信息量的超級智能機器人正站在浪漫和恐怖的十字路口，并已經有了一些存在。Skynet、AGI/ASI、Good的超智能自復制機器，當然還有技術奇點的名字，都將在最后一章中詳細討論。庫茲韋爾認為，到21世紀40年代，人類在虛擬領域的活動將超過在現實世界的活動，并且會伴隨著能消除死亡的大腦上傳（至少就我們所知是這樣），這將引導我們走向生物與人工之間的無縫銜接。因此，人工智能將是一門涵蓋所有已知知識和信息領域的學科，無論是象征性的還是感性的，都指向范式的轉變，從而產生新的科學定義。

本書的寫作使我發現了自己就是兼職藝術家和菜鳥漫畫家，大量的漫畫和示意圖都是我自己草擬的。我在各種各樣的網絡漫畫中找到了幽默和智慧，包括非常流行的xkcd、Far Side、Dilbert、Oatmeal、smbc、Zen Pencils，以及沒有那么出名的Widder的Geek and Poke、McDermott的Red pen Black pen以及Iyad Rahwan個人網頁上的漫畫。

人工智能科學家和機器人學家在他們的研究論文中所表現出的內在幽默感幫助我創作了這些漫畫，通過這些漫畫也能看出一個人的習慣和觀點。例如，阿西莫夫的胡須、Brook的大象、Kirsh的耳蝸、PENGI的企鵝模型、丹尼特的R2D2變體框架問題的圖解、手推車問題、霍金關于暫停人工智能的觀點、智力競賽、Sparrow的測試、哲學僵尸、內格爾的Bat等，這些都能在我的漫畫里找到蹤跡。另一個令人振奮的理由是，如圖2所示，本書是為人類讀者編寫的，可能并不會吸引那些在未來歲月里敢于閱讀這本書的機器人和其他超智能實體。用幽默感，特別是漫畫來幫助闡述概念，可以通過諷刺的方法把概念融入人類的記憶中，這樣基本不需要像更傳統的教授概念的方法那樣死記硬背。

圖2　McDermott的神秘山。（幽默感強調的是人類社交互動^[223]，并反對在人工領域重新創造它的嘗試。這可以看作與Masahiro Mori的神秘谷^[214]相同。幽默感是人類的獨有特性，智商在125～140的普通人最容易擁有它。它隨著智商的增加而減少，對于一個可以接觸世界各地各種信息的機器人來說，幽默感幾乎可以忽略不計）

需要提及展示史蒂芬·霍金和咆哮中的Roomba機器人的漫畫，機器人上面有一張寫著1和0的海報。這幅畫展示在原書內封上，它講述了我們正在考慮暫停人工智能的故事。

除了我的漫畫，還有著名動畫家和艾美獎獲得者也為此做出了杰出的貢獻，在第3章中有Maciek Albrecht 3張草圖的復制品，第2章中有Mark Shrivers的一幅厚臉皮的漫畫。還有4組一對一的訪談：（1）希臘亞里士多德大學的STDR團隊；（2）韓國首爾Yujin Robot的Daniel和Marcus；（3）新西蘭奧克蘭大學的Elizabeth Broadbent；（4）日本明治大學的Junichi Takeno。Cool Farms團隊、Antony Beavers（Genesis at TwinEarth）、Alan Winfield（The Walterians）、Owen Barder的博客（Trolley Prob-lems）以及Kevin Kelly的博客（Maes-Garreau Law）也善意地為我們提供了很多趣味橫生的參考文獻。對于軟件，斯沃斯莫爾學院的Matt Zucker允許我使用他的基于網絡的Braitenberg小車模擬器，我的好朋友兼合作者Luke Dunn讓我使用他的Wall-E/Eva Python對話腳本。

本書中使用以下兩種工具來向讀者傳達思想和信息。

1.Toby和Walkers

Toby是一臺個人機器人，也是這本書的吉祥物，出現在四個短的連環漫畫中。我的早期機器人草圖如圖3所示。這是2015版本的Toby，其設計靈感源于對企鵝的擬人化，只不過沒有嘴。它有著差動驅動、交互式觸摸屏、迷你鍵盤、攝像機和一組聲吶定位儀。它的售價為600美元。我們沒有對2036版本進行詳細討論，為讀者的想象力和未來的發展都留下了空間。在第1章的第一幅連環漫畫中，Walkers被一個關于彗星探索機器人Philae的消息逗樂了。在第二幅連環漫畫中，Walkers購買了一個C3-90機器人作為圣誕家庭禮物，機器人通過感知到的和明顯的親和力與小孩建立聯系，而相比之下，父親和年長的孩子卻把它作為一個技術珍品。在第三幅連環漫畫中，Toby在處理母親的急診方面發揮了作用。在最后一幅連環漫畫中，在2036年，機器人過時了，人們給了它新的設計和新時代的硬件，以及人形外骨骼和仿人類習慣進行溝通的能力。這給了Toby一個新的化身，使得它更像一個人類而不是一個單純的機器。Toby的故事流傳了21年,這反映了人類對機器人可能會產生的愛寵關系，也闡述了現代和未來機器人的各個方面，并暗示了前面討論的七個主題。

圖3　Toby——第一張草圖。（這是我2015年夏畫的最早的連環畫草圖。四部連環畫描繪了基于智能體的機器人的各種顯著特征，并對人機交互的未來進行了推測。在教材中出現連環畫似乎是不合適的，但輕松幽默的氣氛有助于產生各種主題，如半感知范式、人工智能體的倫理、人機交互的當前問題、開源機器人、近乎人類習性和社會價值觀的機器人的未來等。這四部Toby連環漫畫由我設計、開發、勾畫草圖，使用CC-by-SA 4.0許可）

2.排版約定

為了闡述清楚一些重要的信息，我使用了4種類型的方框，以下是對這些貫穿全書的方框類型的解釋。

1）方括號：在提到某個定義或規則時會使用。其中包含了非常重要的信息，而且與內容緊密相關。

2）方框：展示某些可能比較有趣但無法在書里詳細展開的信息。目的是增加吸引力，但與內容不是特別相關。

3）上下邊框：用于案例和展示。

4）灰色陰影：包含非常有趣的信息，很多都是通過我的個人渠道獲得的一些信息，包括采訪和個人郵件中的信息。

在機器人的幫助下，我們在宇宙征程中最遠可到達彗星67P。醫學界前沿研究以最先進的機器人達·芬奇和宙斯系統為傲。護士機器人和Paro分別是在護理行業和治療領域的最新尖端應用。在軍事上，DARPA為美軍機器人應用提供了各種先進的選擇，這也加劇了倫理爭論。自動駕駛車輛和運載機器人，如Starship等，是運輸行業的最新創新。很明顯，機器人正在融入我們的生活，而個人機器人產業可能是未來十年中最有前景的產業之一。

總之，應該對機器人的未來持樂觀態度。它們集人類努力和設計、美學、邏輯以及社會互動的心智能力為一體，而且是技術與自然達成協調的最好例子，接下來的內容將會佐證這些想法。

[1] 這是Vikramaditya國王和一個叫Betal的幽靈進行對話的25個故事之一。

[2] 他的3張草圖的標題是由我完成的。