嶄露頭角的機(jī)器人建筑工

□編譯 / 李忠東

進(jìn)入21世紀(jì)后，由于分工的細(xì)化，現(xiàn)在的職業(yè)早已不止三百六十行。其中建筑工被評為最危險(xiǎn)的職業(yè)之一，成為備受關(guān)注的高危群體。這一點(diǎn)并不難理解，建筑工人每天都要站在高高的腳手架上，面臨高空作業(yè)等危險(xiǎn)工作，發(fā)生工傷的危險(xiǎn)時(shí)刻存在。

想象一下，如果有一幫能代替建筑工人的機(jī)器建筑工，那該有多好啊。它們可以在無人監(jiān)管的情況下，24小時(shí)連軸干，齊心協(xié)力搭建房屋，甚至到其它星球上安營扎寨。據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站日前報(bào)道，目前科學(xué)家正在研制此類機(jī)器建筑工。

添磚加瓦蓋房忙

在芝加哥舉行的美國科學(xué)促進(jìn)會（the American Association for the Advancement of Science，簡稱AAAS）2014年會上，美國哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院攜手維斯生物工程研究所的科學(xué)家展示了一種能夠自我組織的小型機(jī)器建筑工人，名為“白蟻”（TERMES）。它們?nèi)缰行瓦b控玩具車一般大小，也有4個(gè)輪子，裝有若干探測器和舉起建筑構(gòu)件的裝置，很引人注目。TERMES機(jī)器建筑工使用來自紅外和超聲波傳感器的信號引導(dǎo)，能夠在無人監(jiān)督或者指導(dǎo)的情況下用由輕型泡沫制造的建筑磚，自行建造包括高塔、城堡和金字塔等在內(nèi)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。在整個(gè)建造過程中，TERMES無需使用任何詳細(xì)圖紙，此外，它們還會選擇合理的行動路線，以做到事半功倍。

為了演示，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們讓TERMES機(jī)器建筑工現(xiàn)場建筑一座城堡。只見它們前后左右移動，到指定位置拿取積木一樣的“磚塊”。像白蟻建造蟻丘那樣——在沒有總體設(shè)計(jì)和統(tǒng)一管理的情況下，根據(jù)探測到的環(huán)境和預(yù)設(shè)邏輯規(guī)則把“磚塊”放到某個(gè)位置。在已放有“磚塊”的地方，TERMES機(jī)器建筑工會熟練地爬上一層“磚塊”再進(jìn)行壘放，如此層層疊加。實(shí)際上，并沒有一個(gè)程序告訴它們建造的是什么，但他們?nèi)韵褡袷亟煌ㄒ?guī)則一樣按部就班。任意一位成員在運(yùn)行中出了故障，都不會影響工程的整體進(jìn)度，當(dāng)然，它們也不會在建造過程中將自己困在建筑框架內(nèi)。雖然進(jìn)度較慢，但每一名成員都能進(jìn)行自我保護(hù)，有效識別危險(xiǎn)地帶。

AAAS成立于1848年，是世界上最大的科學(xué)和工程學(xué)協(xié)會的聯(lián)合體，也是最大的非盈利性國際科技組織，下設(shè)21個(gè)專業(yè)分會，涉及的學(xué)科包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地理、生物等自然科學(xué)和社會科學(xué)。現(xiàn)有265個(gè)分支機(jī)構(gòu)和1000萬成員。其年會是科學(xué)界的重要聚會，近年來，每次年會都能吸引數(shù)千名科學(xué)家和上千名科學(xué)記者參加。AAAS也是《科學(xué)》雜志的主辦者和出版者。《科學(xué)》雜志（Science）是世界發(fā)行量最大的具有同行評議的綜合科學(xué)刊物，讀者逾百萬。

AAAS 2014年會于2月13日至17日在芝加哥舉行，共有8000多人參加，會議期間安排有大量學(xué)術(shù)演講、研討會和科研成果展示等活動。哈佛大學(xué)的科學(xué)家們在賈斯汀·韋爾弗教授的領(lǐng)導(dǎo)下，歷時(shí)4年研制出了TERMES機(jī)器建筑工。它在現(xiàn)場的精彩演示引起轟動，研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

大顯身手挑重?fù)?dān)

研究人員設(shè)計(jì)出了必要的算法，可以使3個(gè)TERMES機(jī)器建筑工用與白蟻類似的方式來建造物體。為了確保在沒有刻意規(guī)劃的條件下每個(gè)TERMES機(jī)器建筑工個(gè)體能自主建造，科學(xué)家創(chuàng)建了兩種類型的規(guī)則：一種是使它們彼此之間不受阻礙的交通規(guī)則，另一種是可以達(dá)成它們想要的任何結(jié)構(gòu)的建造規(guī)則。具體來說，建造的法規(guī)就是什么時(shí)候放置磚塊是基于該地是否已有磚塊，或者什么時(shí)候要按照結(jié)構(gòu)向上壘磚，以及何時(shí)放置第一級磚塊。

用戶在確定了想要的建筑結(jié)構(gòu)后，TERMES機(jī)器建筑工就會依照規(guī)則自動開始實(shí)施建造工作。它們使用7個(gè)紅外傳感器，以便檢測到黑色和白色的磚塊。在聲波的導(dǎo)航下，它們會探測其他機(jī)器人是否在旁邊，從而保持與周圍建筑物的距離。機(jī)器人在感應(yīng)到磚塊時(shí)，會將其拿起并且放在建筑物上。通過編程，科學(xué)家們能夠指揮 TERMES機(jī)器建筑工沿著一個(gè)網(wǎng)格移動。另外，它們設(shè)置的一些“交通規(guī)則”可以引導(dǎo)它們移動到什么地方，把磚塊擺放在何處。這種建造模式的好處是無論缺少誰都不太重要，建筑規(guī)模也容易擴(kuò)展。執(zhí)行簡單的規(guī)則，通過個(gè)體工作協(xié)調(diào)，TERMES機(jī)器建筑工有望能夠建造一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。不論是只有5個(gè)TERMES機(jī)器建筑工，還是有500個(gè)TERMES機(jī)器建筑工，都能以這種方式工作。

與其他機(jī)器人相比，TERMES機(jī)器建筑工的最大不同是不需要集中控制，也不需要相互交流的復(fù)雜系統(tǒng)。各自都有一套機(jī)輪以及一只搬運(yùn)手臂，手臂前端帶有一個(gè)安有彈簧的鉗子。當(dāng)然，在把它們派到遙遠(yuǎn)的地方建造對人類來說太危險(xiǎn)的建筑項(xiàng)目，或者在遠(yuǎn)離地球的星球上執(zhí)行建筑任務(wù)，如果需要監(jiān)控者的話，也可以對系統(tǒng)稍作改進(jìn)，添加一名中央控制者。

“雖然現(xiàn)在研發(fā)的 TERMES機(jī)器建筑工還處于‘?dāng)[弄積木’的初級階段，但它們將來可能在很多地方都有用武之地。” 研究人員指出，“盡管TERMES機(jī)器建筑工實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)還需要很長時(shí)間，但是目前用沙袋建造防洪堤壩卻是完全可以勝任的。”