音樂(lè)機(jī)器人的發(fā)展歷史與技術(shù)成果

付曉東

（中國(guó)音樂(lè)學(xué)院音樂(lè)科技系，北京 100101）

音樂(lè)機(jī)器人的發(fā)展歷史與技術(shù)成果

付曉東

（中國(guó)音樂(lè)學(xué)院音樂(lè)科技系，北京 100101）

音樂(lè)機(jī)器人技術(shù)是音樂(lè)與科技交叉領(lǐng)域的頂層應(yīng)用學(xué)科，簡(jiǎn)要梳理音樂(lè)機(jī)器人發(fā)展歷史，著重介紹21世紀(jì)以來(lái)音樂(lè)機(jī)器人技術(shù)的代表性成果，并從發(fā)音原理、表情化演奏、仿生結(jié)構(gòu)與智能程度等不同的技術(shù)方面進(jìn)行了描述與分析。

音樂(lè)機(jī)器人；仿生；智能；自動(dòng)演奏；交互；即興創(chuàng)作

1 機(jī)器人與音樂(lè)機(jī)器人的定義

機(jī)器人（Robot）“是一種自動(dòng)化的機(jī)器，其具備一些與人或生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。”①它能夠模擬人類(lèi)行為或思想，并完成人類(lèi)的指令與需求。現(xiàn)代意義上的機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代，按其智能程度，迄今已經(jīng)歷了示教再現(xiàn)機(jī)器人（非智能）—適應(yīng)機(jī)器人（輕智能）—自律機(jī)器人（強(qiáng)智能）三代的發(fā)展，被廣泛運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域。

音樂(lè)機(jī)器人（Musical Robot）是通過(guò)程序輸入（數(shù)字或機(jī)械）而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)演奏音樂(lè)的仿真機(jī)器，但迄今為止，并沒(méi)有一個(gè)明確的定義來(lái)劃定其范疇。按智能程度分類(lèi)，大致可以分為兩類(lèi)。

（1）自動(dòng)機(jī)類(lèi)音樂(lè)機(jī)器人。以“示教再現(xiàn)”（第一代機(jī)器人）的功能范疇歸納，一切具有自動(dòng)演奏功能的音樂(lè)機(jī)器人。

（2）智能類(lèi)音樂(lè)機(jī)器人。考慮到機(jī)器人所具備的智能因素，即以“適應(yīng)”功能（第二代）與“自律”功能（第三代）的范疇歸納，具有一定音樂(lè)內(nèi)容處理、表情性演奏、自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力以及某種程度上自主創(chuàng)作、即興表演功能的音樂(lè)機(jī)器人。

2 從音樂(lè)自動(dòng)機(jī)至智能音樂(lè)機(jī)器人的演進(jìn)

2.1 音樂(lè)自動(dòng)機(jī)

如果將自動(dòng)機(jī)（Automaton）視為現(xiàn)代機(jī)器人的始祖，那么音樂(lè)機(jī)器人則可追溯至能演奏音樂(lè)的自動(dòng)機(jī)（Musical Automaton）。歐洲從古希臘時(shí)代就已經(jīng)發(fā)明與制造了自動(dòng)機(jī)，能夠進(jìn)行音樂(lè)演奏的自動(dòng)機(jī)則被發(fā)明家們視為是工藝、機(jī)械與藝術(shù)的完美結(jié)合，從而受到狂熱的追捧。由此，歷史上各種體鳴與氣鳴類(lèi)音樂(lè)自動(dòng)機(jī)層出不窮。其中，最為典型的就是大家熟知的八音盒（Music Box），它的動(dòng)力來(lái)自于發(fā)條的驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的圓柱或圓盤(pán)上分布著預(yù)置排列的凸點(diǎn)，以其撥動(dòng)梳狀排列的金屬簧片而發(fā)聲（見(jiàn)圖1）。從公元9世紀(jì)巴格達(dá)的巴努穆薩兄弟所發(fā)明的水力自動(dòng)風(fēng)琴（Hydropowered Organ）起，至13世紀(jì)歐洲佛蘭德的自動(dòng)排鐘，再至1796年瑞士鐘表匠安托·法布爾制造出的世界上第一個(gè)現(xiàn)代意義的八音盒，一直到今天所看到的藏于故宮博物院與上海八音盒陳列館所收藏的八音盒珍品，可以看到千年來(lái)的音樂(lè)自動(dòng)機(jī)歷史。一個(gè)有趣的事實(shí)是，當(dāng)今全球市場(chǎng)上作為玩具與禮品的八音盒，絕大多數(shù)產(chǎn)自中國(guó)。

另一個(gè)被人熟知的音樂(lè)自動(dòng)機(jī)就是自動(dòng)演奏鋼琴（Automatically Player Piano）。自動(dòng)演奏鋼琴起源于19世紀(jì)末的歐洲，其最初的模型是在普通鋼琴前外置一個(gè)“演奏器”的機(jī)械裝置，演奏器以打孔紙卷記譜（打孔位置與鋼琴譜相符），用腳踏風(fēng)箱鼓風(fēng)作為動(dòng)力，使紙卷緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)紙卷上的孔位驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的“木手指”機(jī)械擊琴鍵奏出音樂(lè)。隨后演奏器被直接安裝于鋼琴內(nèi)部，還增加了控制速度、力度、踏板等的裝置。19世紀(jì)到20世紀(jì)前期，拉赫瑪尼諾夫、德彪西、馬勒、格什溫、理查·斯特勞斯都曾為這種樂(lè)器寫(xiě)作樂(lè)曲，并制成紙帶供自動(dòng)鋼琴演奏使用。現(xiàn)代自動(dòng)演奏鋼琴出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，是利用計(jì)算機(jī)把演奏者手指對(duì)鋼琴鍵盤(pán)的彈奏音高、節(jié)拍、速度和力度轉(zhuǎn)換成特定的MIDI信號(hào)存于存儲(chǔ)介質(zhì)，并傳遞給自動(dòng)鋼琴控制器控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器安裝在鍵盤(pán)底部的電磁線(xiàn)圈動(dòng)力部件，推動(dòng)鋼琴的榔頭敲擊琴弦而產(chǎn)生音樂(lè)。“現(xiàn)代的自動(dòng)演奏鋼琴是一個(gè)將鋼琴制造、電子工程、計(jì)算機(jī)軟件及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合為一體的高科技機(jī)電一體化裝置，由傳統(tǒng)鋼琴、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置、電子控制系統(tǒng)、曲庫(kù)及作曲軟件等幾個(gè)部分組成”②。它還可以被單獨(dú)地集成為一個(gè)自動(dòng)鋼琴演奏系統(tǒng)單元，安裝在任何一臺(tái)傳統(tǒng)鋼琴上而將其改裝成為一架自動(dòng)演奏鋼琴。如今，它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)商業(yè)與家庭娛樂(lè)場(chǎng)所中，著名的生產(chǎn)廠商有美國(guó)的PIANODISC公司、日本YAMAHA公司等，而國(guó)內(nèi)也有了若干生產(chǎn)自動(dòng)演奏鋼琴的廠家。

2.2 類(lèi)人音樂(lè)機(jī)器人

人類(lèi)的技術(shù)史上一直存在著對(duì)運(yùn)動(dòng)仿生的追求，而八音盒或自動(dòng)演奏鋼琴僅僅是在機(jī)械控制技術(shù)層面所實(shí)現(xiàn)的樂(lè)器自動(dòng)演奏，還未涉及真正的機(jī)器人仿生領(lǐng)域。由于人在演奏樂(lè)器時(shí)要求全身的機(jī)能協(xié)調(diào)自如，以實(shí)現(xiàn)對(duì)音長(zhǎng)、音強(qiáng)、節(jié)拍與速度的精確掌控，因此，機(jī)器人對(duì)人類(lèi)演奏家從形體至演奏技術(shù)的全面仿真，則成為展示與炫耀仿生技術(shù)成就的最富挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。1738年法國(guó)發(fā)明家與藝術(shù)家Jacques de Vaucanson(1709～1782)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)笛與鈴鼓演奏機(jī)器人（見(jiàn)圖2），被視為是音樂(lè)機(jī)器人發(fā)展歷程的一個(gè)里程碑。圖2中，左面是一個(gè)真人大小的長(zhǎng)笛機(jī)器人，通過(guò)鼓風(fēng)系統(tǒng)來(lái)模仿人的呼吸機(jī)制吹奏長(zhǎng)笛，可以演奏12支不同的樂(lè)曲；右面是一個(gè)真人大小的鈴鼓機(jī)器人，為長(zhǎng)笛機(jī)器人擊鼓伴奏。當(dāng)然，長(zhǎng)笛與鈴鼓機(jī)器人都是采用機(jī)械控制手段而實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化，并不具備任何的智能因素。但是，從機(jī)器人仿生學(xué)的角度，長(zhǎng)笛機(jī)器人是世界上首個(gè)能夠模擬人演奏行為演奏氣鳴樂(lè)器的機(jī)器人，其在發(fā)音機(jī)制與音高控制的技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)的突破，一般將其視為類(lèi)人音樂(lè)機(jī)器人的起源。

圖1 八音盒發(fā)聲構(gòu)造

圖2 Jacques de Vaucanson發(fā)明的長(zhǎng)笛與鈴鼓音樂(lè)機(jī)器人③

2.3 智能音樂(lè)機(jī)器人

20世紀(jì)60年代以后，盡管工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始大規(guī)模地應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，然而，擁有人類(lèi)外形與機(jī)制的類(lèi)人機(jī)器人的研制仍然是工程學(xué)所面臨的挑戰(zhàn)性命題。同時(shí)，如何使音樂(lè)機(jī)器人能夠像人類(lèi)演奏者一樣具備閱讀樂(lè)譜、實(shí)時(shí)伴奏的初級(jí)智能水平，也是音樂(lè)機(jī)器人亟需突破的目標(biāo)之一。隨著機(jī)器人技術(shù)、人工智能、計(jì)算能力等方面的發(fā)展，20世紀(jì)80年代初，日本早稻田大學(xué)（Waseda University ）的加藤一郎教授研制了第一個(gè)全尺寸類(lèi)人機(jī)器人“早稻田1號(hào)”（WABOT-1）；在此基礎(chǔ)上， 1984年，研制成功了能夠演奏音樂(lè)會(huì)管風(fēng)琴的音樂(lè)機(jī)器人“早稻田2號(hào)”（WABOT-2）。早稻田2號(hào)音樂(lè)機(jī)器人具有人類(lèi)的外表與結(jié)構(gòu)，以攝像頭為眼，能夠閱讀樂(lè)譜、演奏中等難度的樂(lè)曲，并能夠根據(jù)歌手的演唱調(diào)整速度進(jìn)行伴奏，如圖3所示。

早稻田2號(hào)音樂(lè)機(jī)器人標(biāo)志著智能音樂(lè)機(jī)器人時(shí)代的到來(lái)。它是首個(gè)能夠?qū)⒎?hào)樂(lè)譜轉(zhuǎn)換為音樂(lè)演奏行為的音樂(lè)機(jī)器人，并能夠表現(xiàn)一定程度的節(jié)奏、音量變化，實(shí)現(xiàn)了具有表情的音樂(lè)演奏；同時(shí)，它所具有的機(jī)器學(xué)習(xí)功能使機(jī)器人擁有了音樂(lè)家演奏樂(lè)器的機(jī)能與靈敏性，具備了與人類(lèi)演奏者合作表演的初級(jí)能力。

3 21世紀(jì)代表性音樂(lè)機(jī)器人

21世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人學(xué)（Robotics）相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新成果的集合，為音樂(lè)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)帶來(lái)了突破性進(jìn)展。這些關(guān)鍵技術(shù)包括：對(duì)人類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制的精確理解、表情化音樂(lè)演奏特質(zhì)的提取、多通道的音樂(lè)交互方式（如通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)）的實(shí)現(xiàn)等。這些技術(shù)大幅提升了音樂(lè)機(jī)器人在音樂(lè)分析與創(chuàng)作、精確快速的運(yùn)動(dòng)控制、協(xié)同合作與即興表演等方面的藝術(shù)才能。同時(shí)，科學(xué)家與研究者開(kāi)發(fā)出了更為自然友好的控制界面與仿真外形，大大拓展了音樂(lè)機(jī)器人在教育、娛樂(lè)、服務(wù)業(yè)中的應(yīng)用。現(xiàn)介紹一些21世紀(jì)以來(lái)代表不同層面的音樂(lè)機(jī)器人，涵蓋管樂(lè)（McBlare風(fēng)笛機(jī)器人）、弦樂(lè)（豐田小提琴機(jī)器人）和打擊樂(lè)（Shimon馬林巴機(jī)器人）等各類(lèi)音樂(lè)機(jī)器人。

3.1 McBlare風(fēng)笛機(jī)器人

圖3 早稻田2號(hào)音樂(lè)機(jī)器人④

圖4 McBlare風(fēng)笛機(jī)器人正面圖⑥

圖5 McBlare風(fēng)笛機(jī)器人背面圖

2004年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為慶祝其成立25周年，特別研制了McBlare風(fēng)笛機(jī)器人為這一慶典獻(xiàn)禮⑤。McBlare能夠演奏標(biāo)準(zhǔn)的蘇格蘭風(fēng)笛，圖4則是McBlare身著傳統(tǒng)蘇格蘭方格裙的演出照，圖5是McBlare背面圖，它采用空氣壓縮機(jī)來(lái)提供空氣動(dòng)力（見(jiàn)圖5下），以電磁控制手指系統(tǒng)（圖5左上）驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的手指來(lái)控制風(fēng)笛音孔的開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生不同音高。McBlare能夠接收并響應(yīng)MIDI控制器發(fā)送的MIDI信息，因此，可以通過(guò)MIDI接口與鍵盤(pán)、計(jì)算機(jī)或MIDI音序器等軟硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。McBlare的控制與運(yùn)動(dòng)機(jī)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類(lèi)演奏者的生理極限，因此它除了能夠演奏傳統(tǒng)的蘇格蘭風(fēng)笛作品，還能夠演奏實(shí)驗(yàn)性的高難度計(jì)算機(jī)音樂(lè)作品。McBlare風(fēng)笛機(jī)器人一個(gè)更重要的特征體現(xiàn)于它能夠在演奏的過(guò)程中實(shí)時(shí)地加入裝飾音，而音樂(lè)中充滿(mǎn)大量的即興裝飾音正是傳統(tǒng)蘇格蘭風(fēng)笛音樂(lè)的風(fēng)格特色。McBlare通過(guò)對(duì)大量風(fēng)笛作品的統(tǒng)計(jì)與學(xué)習(xí)，能夠在演奏過(guò)程中根據(jù)音樂(lè)音響的語(yǔ)境自動(dòng)加入具有鮮明特色的裝飾音。除此之外，McBlare還可以通過(guò)傳感器識(shí)別手勢(shì)運(yùn)作，從而根據(jù)手勢(shì)指令來(lái)實(shí)時(shí)地演奏非傳統(tǒng)的音樂(lè)作品。

在形制與功能上，McBlare風(fēng)笛機(jī)器人是1738年法國(guó)長(zhǎng)笛機(jī)器人的擴(kuò)展，但后者僅僅是一個(gè)非智能型的類(lèi)人音樂(lè)機(jī)器人，而Mcblare擁有智能化的裝飾音演奏與手勢(shì)識(shí)別功能，此區(qū)別足以將其歸入“適應(yīng)”機(jī)器人類(lèi)別。

3.2 豐田小提琴機(jī)器人

對(duì)于類(lèi)人機(jī)器人而言，小提琴演奏無(wú)論從運(yùn)動(dòng)生理學(xué)角度還是音樂(lè)情感表達(dá)的角度都要比演奏其他氣鳴或體鳴樂(lè)器復(fù)雜得多。機(jī)器人除了要掌握右臂的弓法與力度、左手的指法與把位、雙手的配合與協(xié)作等樂(lè)器演奏技術(shù)之外，還要擁有小提琴演奏中對(duì)于微妙變化的表情性能力。在日本機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域，這種表情能力被稱(chēng)為かんせい（Kansei），其漢語(yǔ)的音譯與意譯對(duì)應(yīng)于“感性”一詞。對(duì)于智能機(jī)器人而言，一個(gè)能夠表現(xiàn)出“感性”因素的小提琴機(jī)器人是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這方面日本的機(jī)器人研究走在了世界的前列。豐田汽車(chē)公司（Toyota Motor Corporation）經(jīng)過(guò)了十幾年的研究， 2005年推出了類(lèi)人小號(hào)音樂(lè)機(jī)器人（圖6左）；在此基礎(chǔ)上，2007年研制成功了具有“感性”功能的小提琴機(jī)器人（圖6右），并在東京進(jìn)行了首演，之后在2010年上海世博會(huì)上演奏了中國(guó)觀眾熟知的中國(guó)民歌《茉莉花》，引起世界范圍的轟動(dòng)。

豐田小提琴機(jī)器人身高1.52 m，體重56 kg。它以右手持弓，具有六級(jí)自由度的右臂能夠擦奏小提琴琴弦而發(fā)出各種力度的樂(lè)音；左手手指由電磁驅(qū)動(dòng)的螺旋管構(gòu)成，由于小提琴的尺寸限制，左手只有三個(gè)手指用于按弦（圖7）。它能夠演奏中等技術(shù)難度的小提琴樂(lè)曲，并具有一定的音樂(lè)“感性”表達(dá)能力。

當(dāng)然，同本田公司推出的著名的ASIMO行走機(jī)器人⑦一樣，豐田公司推出小提琴機(jī)器人的目的并不限于音樂(lè)表演，其最終目標(biāo)在于提供家庭醫(yī)護(hù)與家務(wù)機(jī)器人，以進(jìn)軍家用市場(chǎng)。因此，它的音樂(lè)表演能力僅是為了展示其高超的運(yùn)動(dòng)與控制機(jī)能，并沒(méi)有將音樂(lè)智能作為其重點(diǎn)發(fā)展方向。但是，在音樂(lè)機(jī)器人領(lǐng)域，僅就其類(lèi)人仿真水平而言，至今仍難有與豐田小提琴機(jī)器人比肩的機(jī)器人。

3.3 Shimon馬林巴機(jī)器人

Shimon馬林巴機(jī)器人由美國(guó)亞特蘭大理工學(xué)院音樂(lè)科技中心（The Georgia Tech Center for Music Technology）的Gil Winberg教授在2009年主持開(kāi)發(fā)，它是一個(gè)能夠即興演奏、并與人類(lèi)演奏家實(shí)時(shí)重奏的馬林巴音樂(lè)機(jī)器人。盡管開(kāi)發(fā)者將其稱(chēng)為類(lèi)人機(jī)器人（Anthropomorphic Robot）⑨，但以豐田小提琴機(jī)器人所達(dá)到的類(lèi)人水平來(lái)衡量，它的外形更像是一套帶攝像頭的機(jī)械手系統(tǒng)（圖8）。Shimon的特色在于，它能夠使用智能音樂(lè)預(yù)測(cè)行為系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)演奏家合作，例如可以在爵士樂(lè)二重奏的演出形式下進(jìn)行旋律與節(jié)奏的即興演奏。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確有效的同步互動(dòng)，Shimon還運(yùn)用了視覺(jué)信號(hào)觸發(fā)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行演奏過(guò)程的調(diào)整，即可以通過(guò)攝像頭識(shí)別與其合作的人類(lèi)演奏家的動(dòng)作并進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)爵士樂(lè)中的競(jìng)奏互動(dòng)。其創(chuàng)新之處在于，即興演奏行為并不是僅僅依靠于音響信號(hào)的接收，而主要是通過(guò)對(duì)合作者的動(dòng)作識(shí)別來(lái)完成。Gil Winberg和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)演奏家在合作即興演奏過(guò)程中，其身體的運(yùn)動(dòng)信號(hào)往往傳遞著非常重要的音樂(lè)引導(dǎo)信號(hào)。身體的運(yùn)動(dòng)信號(hào)不僅僅導(dǎo)致音樂(lè)進(jìn)行的改變，在視覺(jué)上也與合作者傳遞著即興演奏的重要預(yù)測(cè)信息。Shimon擁有四個(gè)手臂，形成兩對(duì)，分別對(duì)應(yīng)于馬林巴的下排鍵盤(pán)（自然音級(jí)）與上排鍵盤(pán)（變化音級(jí)）；每支手臂由螺旋管構(gòu)成，控制一支琴槌。根據(jù)聲敏傳感器所發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)沿著馬林巴的鍵盤(pán)橫向移動(dòng)，最高可達(dá)到3 g的加速度，從而每四分之一秒跨越一個(gè)八度的速度進(jìn)行鍵盤(pán)定位。Shimon目前可以與人類(lèi)鋼琴演奏家進(jìn)行合作，這是音樂(lè)機(jī)器人智能技術(shù)的一個(gè)全新研究平臺(tái)。

圖6 豐田小號(hào)機(jī)器人（左）、小提琴機(jī)器人（右）⑧

圖7 小提琴機(jī)器人的左手指法系統(tǒng)

Shimon是真正具備即興演奏功能的機(jī)器人，智能程度令人嘆為觀止。通過(guò)對(duì)爵士音樂(lè)作品的海量數(shù)據(jù)分析與學(xué)習(xí)，它掌握了爵士音樂(lè)的旋律、節(jié)奏與和聲風(fēng)格。在整合了音樂(lè)感知、交互與即興演奏等多個(gè)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，Shimon能夠根據(jù)體勢(shì)信號(hào)與音響信號(hào)的感知來(lái)實(shí)時(shí)產(chǎn)生音樂(lè)，或激發(fā)演奏者與其互動(dòng)，為人類(lèi)合作者與聽(tīng)眾帶來(lái)新穎奇特的音樂(lè)音響和體驗(yàn)。開(kāi)發(fā)Shimon的最終目標(biāo)是將人類(lèi)的創(chuàng)造力、情感表達(dá)、審美判斷等智能與計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力相結(jié)合，讓人類(lèi)與機(jī)器人合作而成就彼此的音樂(lè)創(chuàng)意。迄今為止，“Shimon已經(jīng)與眾多人類(lèi)演奏家合作演出，包括在慕尼黑國(guó)際數(shù)字生活設(shè)計(jì)大會(huì)（DLD）、華盛頓美國(guó)科學(xué)節(jié)、西雅圖雨傘音樂(lè)節(jié)、舊金山谷歌開(kāi)發(fā)者大會(huì)等重要的場(chǎng)合中。”⑩

3.4 Shimi舞蹈機(jī)器人

2012年，由Gil Winberg教授擔(dān)任首席執(zhí)行官的美國(guó)Tovbot公司，推出了首個(gè)與智能手機(jī)相聯(lián)的舞蹈機(jī)器人Shimi。Shimi造型特征吸收了日本卡通的“萌”元素，本身是一個(gè)兼容iPhone與Android系統(tǒng)的手機(jī)揚(yáng)聲器底座，因此它也被稱(chēng)為智能手機(jī)音樂(lè)伴侶（Smart-Phone Enabled Robotic Musical Companion）。它采用2.1聲道，其頭部為雙聲道的高頻揚(yáng)聲器單元，低頻單元?jiǎng)t內(nèi)置于下腹部。它以左腳充當(dāng)手機(jī)插座，當(dāng)手機(jī)插入時(shí)，Shimi可以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)的自動(dòng)播放，并隨著音樂(lè)的節(jié)拍與旋律實(shí)時(shí)做出搖頭、跺腳（右腳）、旋轉(zhuǎn)等可愛(ài)的舞蹈動(dòng)作（圖9）。Shimi可以通過(guò)語(yǔ)音指令或利用手機(jī)攝像頭識(shí)別人類(lèi)的手勢(shì)與面部表情，來(lái)播放機(jī)主喜愛(ài)的樂(lè)曲；同時(shí)，還可以實(shí)時(shí)追蹤機(jī)主的位置，自動(dòng)將揚(yáng)聲器的角度調(diào)整至最佳角度，從而獲得良好的聽(tīng)音效果。此外，Shimi可以分析聆聽(tīng)者拍擊的節(jié)奏而自動(dòng)在音樂(lè)庫(kù)內(nèi)選擇指定節(jié)奏的歌曲。它的尺寸小巧、還可通過(guò)對(duì)群組的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)Shimi機(jī)器人的群舞組合。目前，Tovbot公司正在籌劃在2015年內(nèi)將Shimi推向消費(fèi)市場(chǎng)，預(yù)期售價(jià)在200美金以?xún)?nèi)。

Shimi的出現(xiàn)，代表了音樂(lè)機(jī)器人的另一種設(shè)計(jì)觀念：在人類(lèi)藝術(shù)的演化進(jìn)程中，音樂(lè)與舞蹈在絕大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)是不可分割的，將音樂(lè)從舞蹈藝術(shù)中剝離出來(lái)單獨(dú)實(shí)踐，也僅僅是發(fā)生在近幾百年歐洲專(zhuān)業(yè)音樂(lè)的范圍內(nèi)。Shimi的設(shè)計(jì)理念就是力求還原音樂(lè)與舞蹈這種水乳交融的關(guān)系，再現(xiàn)人類(lèi)音樂(lè)與舞蹈藝術(shù)的原始表現(xiàn)意圖與審美功能。此外，Shimi是面向消費(fèi)市場(chǎng)的音樂(lè)機(jī)器人，意味著音樂(lè)機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室，面向大眾的娛樂(lè)與休閑生活，從這個(gè)角度來(lái)看，它具有里程碑的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

以上所介紹的音樂(lè)機(jī)器人基本上代表了不同層面的技術(shù)成果。從樂(lè)器分類(lèi)學(xué)的角度來(lái)看，涵蓋了管樂(lè)器、弦樂(lè)器、打擊樂(lè)器與電子樂(lè)器，展示出當(dāng)今機(jī)器人對(duì)樂(lè)器演奏技術(shù)的全面掌握。從類(lèi)人仿真與人性化表演的水平來(lái)看，無(wú)疑以豐田小提琴機(jī)器人領(lǐng)先；以音樂(lè)機(jī)器人的智能程度與自律程度來(lái)看，則是佐治亞理工學(xué)院的馬林巴機(jī)器人拔得頭籌。設(shè)想一下，如果有這樣一個(gè)音樂(lè)機(jī)器人，擁有比早稻田2號(hào)更強(qiáng)的讀譜能力、比Macblare風(fēng)笛機(jī)器人更華麗的裝飾音演奏技術(shù)、比豐田小提琴機(jī)器人更逼真的仿生機(jī)能與“感性”詮釋?zhuān)€具備比Shimon更為完美的即興演奏與合奏能力，能夠在音樂(lè)的伴奏下跳出比Shimi更萌的舞步，那么，如此的一個(gè)音樂(lè)機(jī)器人是否能夠帶來(lái)妙不可言的音樂(lè)體驗(yàn)?zāi)兀渴欠駮?huì)廣受藝術(shù)表演市場(chǎng)、休閑娛樂(lè)行業(yè)以及音樂(lè)教育等領(lǐng)域的青睞呢？

圖8 Shimon馬林巴機(jī)器人

圖9 Shimi舞蹈機(jī)器人

答案當(dāng)然是肯定的。但不可否認(rèn)的是，對(duì)于音樂(lè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)而言，涉及音樂(lè)的創(chuàng)造、表演與欣賞，需要跨學(xué)科跨領(lǐng)域的拓展與深入，也還有很多科學(xué)研究與技術(shù)實(shí)踐的具體問(wèn)題亟待解決，諸如人體運(yùn)動(dòng)的分析與合成、音樂(lè)表情的感知與詮釋、音樂(lè)情感的細(xì)節(jié)分析、音樂(lè)欣賞的數(shù)據(jù)量化、音樂(lè)音響與舞蹈動(dòng)作的跨感官整合、交互式的傳感與驅(qū)動(dòng)技術(shù)等等，需要進(jìn)一步地深入研發(fā)，以使音樂(lè)機(jī)器人真正像人類(lèi)音樂(lè)家那樣去理解、詮釋、創(chuàng)造音樂(lè)音響。最重要的是，下一代的音樂(lè)機(jī)器人還要具備人類(lèi)音樂(lè)家的另一大特征——自發(fā)自主學(xué)習(xí)音樂(lè)的智能，即能夠通過(guò)聆聽(tīng)分析自身或其他演奏者（包括音樂(lè)機(jī)器人）的音樂(lè)來(lái)獲得新的音樂(lè)才能，從而提高機(jī)器人的音樂(lè)創(chuàng)造與表演水平。

從大約兩千年前人類(lèi)制造首個(gè)自動(dòng)機(jī)開(kāi)始，機(jī)器人學(xué)就是一個(gè)令人著迷的持久命題，它是科幻、工業(yè)與藝術(shù)的永恒夢(mèng)想。對(duì)于現(xiàn)有的音樂(lè)機(jī)器人而言，在渡過(guò)眼球效應(yīng)期后，必然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生更多更新的期待——替代甚至超過(guò)人類(lèi)音樂(lè)家的音樂(lè)才能與技藝。從這個(gè)角度來(lái)衡量，智能音樂(lè)機(jī)器人目前的發(fā)展仍然處于初期階段，以當(dāng)前各種音樂(lè)機(jī)器人已獲得的成就看，可預(yù)見(jiàn)令人振奮的前景。

注釋:

① 引自王彥《實(shí)戰(zhàn)智能機(jī)器人》，海南出版社2008年10月出版，第2頁(yè)。

② 引自http://zh.wikipedia.org/wiki/自動(dòng)演奏鋼琴。

③ 圖片來(lái)源于http://www.francoisjunod.com/ automates/eightennth/vaucanson_uk.htm。

④ 圖片來(lái)源于http://pinktentacle.com/2008/04/videowabot-2-android-plays-keyboard-1985//。

⑤卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與蘇格蘭有著根深蒂固的淵源——其創(chuàng)始人安德魯·卡內(nèi)基（Andrew Carnegie）出生于蘇格蘭。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)音樂(lè)學(xué)院專(zhuān)設(shè)有風(fēng)笛演奏專(zhuān)業(yè)，并擁有一支學(xué)生風(fēng)笛樂(lè)隊(duì)。

⑥ 圖4、圖5來(lái)源于http://www.cs.cmu.edu/～music/ mcblare/。

⑦ 日本本田技研工業(yè)株式會(huì)社于2000年研制的類(lèi)人機(jī)器人，在2013年已發(fā)展至第三代，ASIMO以其先進(jìn)的仿人行走能力而著稱(chēng)，其最終開(kāi)發(fā)方向是作為服務(wù)性的引導(dǎo)員。

⑧ 圖片來(lái)源于http://www.toyota-global.com/ innovation/partner_robot/family_2.html#h202。

⑨ “Unlike computer- and speaker-based interactive music systems, an embodied anthropomorphic robot can create familiar, acoustically rich, and visual interactions with humans.” http://www.gtcmt.gatech.edu/projects/ shimon。

⑩ 源自http://www.gtcmt.gatech.edu/projects/ shimon。

? 圖片源自：Jorge Solis & Kia Ng, Musical Robots and Interactive Multimodal Systems, Springer, Verlag Berlin Heidelberg 2011, P235。

? 圖片來(lái)源于https://www.kickstarter.com/ projects/143402057/shimi-a-smart-musical-robot-foryour-iphone。

[1] 王彥. 實(shí)戰(zhàn)智能機(jī)器人[M]. 海南：海南出版社，2008.

[2] 自動(dòng)演奏鋼琴 [DB/OL]. 維基百科中文：http:// zh.wikipedia.org/wiki/, 2014-12-6.

[3] Jorge Solis & Kia Ng. Musical Robots and Interactive Multimodal Systems[M]. Springer：Verlag Berlin Heidelberg, 2011.

[4] Hoffman, G. & Weinberg G.. Interactive Improvisation with a Robotic Marimba Player[J]. Journal Autonomous Robots, 2011, 31.

[5] Bretan, M. & Weinberg, G.. Chronicles of a Robotic Musical Companion[C]. submitted to Proceedings of the New Interfaces for Musical Expression Conference (NIME 2014), London, UK. , 2014.

付曉東，音樂(lè)聲學(xué)博士，中國(guó)音樂(lè)學(xué)院音樂(lè)科技系教授，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者（2014年9月至2015年3月）。

（編輯 杜 青）

History and Technological Achievements of Musical Robot

FU Xiao-dong
(Music Department of Science and Technology, China Conservatory of Music, Beijing 100101, China)

Music robotics application is the top cross-disciplinary fields of music and technology. In this paper, the writer combs the development history of music robot briefly, and focuses on the representation results of musical robotics from the the 21st century. Additionally, some different techniques such as pronunciation principle, expression of playing, bionics and intelligent degree were described and analyzed.

musical robot; bionics; intelligence; automatically player; interaction; improvisation

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.003