機器人發展背后的數學

王成功

提到機器人，每一位同學都會想起“變形金剛”.我們在享受“變形金剛”帶給我們的快樂童年的同時，有沒有意識到機器人的發展背后蘊含的數學原理呢？

早在3000多年前，人類就希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作.

據傳在西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，可算是我國最早記載的機器人.春秋后期，著名的木匠魯班，曾制造過一只木鳥，能在空中飛行且“三日不下”.公元前2世紀，亞歷山大時代的古希臘人發明了最原始的機器人——自動機.它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌呢.

機器人一詞的出現和世界上第一臺工業機器人的問世，都是近幾十年的事.現代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發展.可以說美國是現代機器人的誕生地，早在1959年就研制出世界上第一臺工業機器人，比起號稱“機器人王國”的日本起步至少要早五六年.經過幾十年的發展，美國現已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進.我國在建國初期的“七五”計劃中把機器人列入國家重點科研規劃內容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程.1986年3月開始的國家863高科技發展規劃中，已列入研究、開發智能機器人的內容.

美國武器合約商波士頓動力公司曾為美軍研制了當時世界最先進的人形機器人“阿特拉斯（古希臘神話中的大力神）”.“阿特拉斯”能像人類一樣用雙腿直立行走，令人聯想起科幻電影中的“終結者”.這款機器人可以在傳送帶上大步前進，躲開傳送帶上突然出現的木板，從高處跳下穩穩落地，兩腿分開從陷阱兩邊走過，然后跑上樓梯，單腿站立，被從側面而來的球重撞而不倒.這款機器人很有可能是用在危險環境下的救援工作，甚至是用在后勤補給和維修保養作業等這些相關的工作上.科學家說人形機器人完全取代士兵的可能性不太大，但是機器人在某些領域可以替代人，或者減輕人所面臨的危險性，比如說像排雷作業或者爆炸物的排除等等.

第十一屆中國（天津）國際裝備制造業博覽會也吸引了眾多機器人制造商參展，“機械手”“搬運機器人”“視覺機器人”“編程機器人”等世界先進的自動化設備同場競技，展示了在高科技的推動下，機器人將更好地服務于我們的生活.

機器人（人工智能）的發展和其他科學一樣，都是以數學的發展作為基礎.先進的數學工具給先進機器人技術的發展注入了強大的動力.或者說，人工智能是數學理論最好的實際應用.目前的機器人主要涉及的數學原理有坐標系、矩陣及其變換、圖像處理、各種算法（深度學習算法是目前最為流行的算法，與函數、微積分、概率統計等密切相關）等.如坐標系的運用，這里的坐標系是指世界坐標系和局部坐標系.機器人在行走和活動過程中，世界坐標系一般是固定不動的，只有局部坐標系隨著機器人的運動而運動，每一個局部坐標系中都有一個變換矩陣，機器人的每一個活動都是矩陣在作變換.

人工智能正悄無聲息地改變著我們的生活，不僅大大提高了我們的生活效率和生活質量，而且節約了我們的生活成本，同時人工智能還能夠完成人類所不能完成的工作.當然人工智能的高速發展，也可能會給我們的生活帶來一些未知的負面影響，在電影《X戰警》《終結者》中我們看到了很多機器人（變異人類）可能會給我們整個人類帶來一定的危險，還有可能會打亂人類的原有生活，因為有了方便的仆人也有可能造就更多的懶人，甚至人類的退化，不是嗎？