科學機器人子刊：從機器人社交與醫療自動化分級到機器人建築平台

機器之心報道

圖：社交輔助機器人的例子

機器人發展的驅動力是對自動化人類工作的渴望。將機器人應用到人類工作中的討論一直持續著。不過，這些討論多半關注經濟影響。然而，機器人對人類健康也產生著重要影響。有關人類壽命以及恢復能力的科學研究表明，對於健康幸福來說，想要保持身體和認知活力的驅動力十分重要。人們也認識到精神問題，包括抑鬱和社交隔離正變得越來越多。

從手術到遠程醫療，機器人正在改善醫療健康的準確性、持續一致性、安全性以及普及性。過去十五年中，機器人已經開始進入一個新領域：越來越多的行為科學以及神經科學證實，與和屏幕交互相比，人類更喜歡和具有身體外形的具身共現智能體 （ physically embodied copresent agents ），比如，其他人、寵物以及機器人互動。而且，在這一語境下，人類更容易變積極，改變行為，也更願意學習。因此，機器人不僅分擔人類的體力活兒，還能促進人類社交互動：鼓勵人們做自己的事情。

社交輔助機器人（SAR）關注研發促進智力發育、社交互動類型的機器人，這類機器人提供的是社交輔助而不是身體支持，它們也是康復機器人的補充。不過，與康復機器人相反，SAR 不是觸摸型的，而是用非接觸方法進行監督、訓練以及陪伴。比如，一款 SAR 中風患者康復教練會通過演示的方式為患者提供訓練挑戰；監督患者運動；提供訓練質量反饋以及需要改善的地方。鼓勵並敦促患者再接再勵。

SAR 系統已經被用於頗有挑戰性的健康護理情境——包括中風恢復，獨孤症行為治療、精神健康護理、老年痴呆症等，還包括健康老年人的護理——也被用於積極探索提高兒童教育以及其他訓練場景。所有這些應用場景都需要專註的、一對一、日常和時間延續的互動。SAR 並非要取代稀缺的人類護理人員，而是要走進人類無法提供服務的領域以及增強人類現有的工作。

人類增強放大並提高了人類工作能力。該領域包括許多技術，比如假肢、矯正技術以及取代缺失功能的物理複製設備；延伸身體功能的外部骨骼；填補或補充人類能力、與人類一同工作的協作系統；還有監督以及促進人類工作的社交輔助機器人。遠程操作設備能夠讓遠距離操作成為可能，也能讓干工作更加精確。

不過，與其他人類增強領域相反，SAR 需要與用戶進行社交，而不是身體上的互動。社會互動很複雜；演化理論表明，複雜的社會結構是人類智力發育的主要驅動力。SAR 設計人員必須確定實現類似社交互動系統的方法，該系統能夠無縫融合機器人的身體、認知以及社交面向。這些組成部分的不一致性以及用戶的高期待很重要，也是一種明顯系統失敗：用戶拒絕的主要原因。恐怖谷的理論就是這類失敗的例子。

另外，回應社交夥伴的時點也一個巨大挑戰；SAR 系統必須在社交時間尺度內運行，這既是個性化的，也是語境下的；回復太慢或太快或總是重複會打斷社交動態過程。時點難題也被應用到身體（動作，姿勢和面部表情）以及非身體（語言或非語言的語音化）溝通形態及其時間協調上。

具身化交流（ Embodied communication）是一個開放的研究領域：面部表情、頭轉動的方向、注視、身體姿勢以及方向還有手勢等這些所謂的非正式渠道微妙之處，都傳達著更多的信息，勝過口頭語言。可觀察性也是一個難題：有效的社交互動不僅包括理解用戶可觀察到的行為（比如行動，面部表情），也包括解釋用戶的情緒，感情狀態以及意圖等。

最後，互動的個性化以及適應性都是必須的：用戶的具體的社交行為、行為模式、驅動力以及對新奇性、變化或持續性的偏好都是不同的。SAR 系統必須能察覺到這些並根據個體不同，迅速準確地進行調適，如果這些系統想要被用戶接受並繼續有效的話。

這一領域發展需要機器人學家和社會學專家、認知科學家、發展學科學家以及其他相關領域的專家合作，比如中風、孤獨症、早教等。也需要將信號處理、機器學習、自然語言處理以及其他人機交互計算領域的專家團結起來。正如其他健康研究領域，該領域也需要滿足隱私規則並為日益壯大社區所共享的大型數據集，讓該領域的研究超越當前的小型、軼事一般的用戶研究方式。最後，我們仍然需要一個互動、安全以及經濟的機器人平台用於更加廣泛地研究 SAR 以及人與機器人的交互。當前的平台非常缺乏用於解決上述研究難題的物理特性。

不同年齡階段對有效、可愛的以及個性化護理的需求日益增長，這也驅動著旨在人類增強的機器人越來越多，而且這一驅動力仍然沒有得以好好開發。我們很容易設想出如何將這些系統用於監管以及協助兒童的身體、認知以及社會性的發育；輔助腦創傷後的康復；中風後的復原；緩和帕金森等其他神經退行性條件等。SAR 以及其他人類形式的人類增強技術會是自動化的有利補充，也代表了可能給人類帶來重大影響的廣泛研究挑戰。

這期子刊的第二篇焦點文章關注了醫療機器人的自動化分級問題。

從微創、靶向治療到應急響應、假肢和家庭助理等，醫療機器人已經成為醫療設備領域增長最快的一部分。我們需要根據醫療機器人不同自動化程度以及適用背景，認真對其進行管理、道德以及法律上的規制。在自動駕駛領域，我們已經定義了不同汽車自動程度，然而，醫療機器人這方面卻是空白。在這篇短文中，作者對醫療機器人的自動化程度進行了定義，為進一步討論提供了一個可能的框架。

文章將不同自動化程度分為五級：

0 級：無自動化。位於這一水平的醫療機器人包括遠程操作機器人、能遵循患者要求的假肢設備。不具備行動擴展（motion scaling）的手術機器人也屬於這一類，因為其輸出代表的是外科醫生想要它執行的動作。

1級：機器人輔助。任務期間，提供一些機器指導或輔助，人類需要持續控制該系統。例子：帶有虛擬夾具的手術機器人以及帶有平衡控制的下肢假體設備。

2級：任務自動化。與1級不同的是操作者斷斷續續而不是持續控制系統。比如，手術縫合——指出哪裡要縫合，機器人就自動進行縫合，醫生只用監管，僅在需要時進行干預。

3級：條件自動化。一個可以生成任務策略類別的系統，不過，還需要人類從中進行選擇，或者批准系統自動挑選出來的策略。無需密切注意，這類手術機器人就能完成任務。比如，一個活動的下肢假體設備能夠自動感受到穿戴者想要移動手臂的想法。

4級：高度自動化。機器人可以做出醫療決策，不過是在合格醫生的指導下。手術中，這類機器人就類似機器人住院醫生，在主治醫生的指導下進行外科手術。

5級：完全自動化（不需要人類）。亦即所謂的「機器人手術」，機器人完成整個手術，一個普通醫生可以完成的所有手術過程都可以由這個系統完成。不過，目前這一水平機器人只存在於科幻中。全自動化機器人需要複製專家醫生的感知運動技能。

隨著自動化水平的遞升，管制面臨的挑戰也越大。

目前，一些醫療設備已經處在3級水平，因此，隨著將這些機器人設備用於更加複雜的過程和環境，挑戰也會變大。1-4級的手術機器人，本質上仍然是由手術醫生來控制的。機器人設備主要是遵照醫生的命令行事，不過，留給機器執行的細節程度會不同。另外，我們預期，人們也會越來越接受機器人在自動化手術領域的應用，畢竟自動駕駛汽車已經開始變得普遍。

MIT提出機器人建築平台：只需陽光和原材料即可按需生產房屋

這篇論文介紹了一種數字化建築平台（Digital Construction Platform ，DCP）：一種自動化建築系統，可以根據定製要求現場搭建出建築物。易言之，就是一款利用增材建造技術來建造大型建築的機器人手臂，不過這支手臂更安全，搭建速度也快，在某些情況下，這些建築還可以重複使用。

近幾年，一些我們見過的最有趣的機器人已經開始使用增材製造技術，搭建小型建築物，甚至建造它們自己。大規模的機器人建築活動也處在積極研究中，不過，仍然沒有看到任何概念或者原型出爐。現在已經有壘磚機器人，可以用混凝土3D列印出建築物的門架式機器人（gantry robots），甚至還有可以一次搬一塊磚、建造牆面的無人機。這些解決方案中，最實用的可能就是門架式３Ｄ印表機了，但是，這些印表機有一個很大的弊端：在某個地方搭建起這些機器系統，然後讓這些機器生產活動房屋時，才給力。

而 MIT 媒體實驗室的數字化建築平台是移動的（最快速度為每秒0.5米），而且是自己控制的。電源驅動（上面裝有幾塊太陽能板，可以根據情況再多裝幾塊），因此，只要有太陽，就有可能不停運行下去。至於其他方面，這個平台模擬了許多3D建築印表機的功能：延伸範圍很長，最大可列印體積為2,786立方米。機器人也有兩條手臂，但並不是嚴格地按照人類胳膊建模：有一條4個自由度的大且長的胳膊，可以從事所有大運動，還有一條小胳膊，靈敏的、6個自由度的Kuka胳膊，主要從事類似人類手指擅長的精細動作。合在一起，整個系統成本為24萬4500美元，價格比較合適。

這個平台系統採用的建築技術很直接：小型胳膊一端有一個噴頭，它可以將兩種化學物質混合成一種液態的聚氨酯泡沫體，這種泡沫體會迅速膨脹並硬化。你可以編程列印出任何你喜歡的東西，在上面的demo視頻中，機器人正在以每小時1.728立方米的速度搭建14.6米寬、3.7米高的半球型開放圓屋頂，一層一層地列印。機器人並不是直接用泡沫體打造整個建築，而是打造一個混凝土模本：兩個泡沫體牆壁，一面嵌套在另一面里 ，在布好管道以及電線等內容後，你可以在中間的空間注入水泥，這樣建築物就能更加持久還富有彈性。保留泡沫不過是增加建築的絕緣性。但即使如此，只有泡沫、沒有混凝土，結構仍然足夠強健，一個營養充足的研究生可以在上面玩跳房子：

因為泡沫乾的很快，因此，真有可能用這個材料造出一個圓頂，因為連續層並不必然是一層接一層地列印。它們甚至可以90度抵消，這樣，平坦的屋頂、沒有支撐的裝架和長凳也有可能。當需要額外支撐時，研究人員已經測試了自主嵌入的鋼筋，以及已經被自動焊接成僵硬形狀的鏈條，如下所示：

為了能在任何地方按需製造房屋，DCP需要兩件東西：電源和材料。電源雖然麻煩點，但技術上並沒什麼難度，只要（理論上）可以添加太陽能板直到機器人正常運轉起來。建築材料就有點難辦了，很難從頭製造出泡沫體成分。不過幸運的是，這並不是唯一有用的建築材料，即使可能是最適合建造的材料。一些初步試驗已經取得成功，研究人員使用電燒結粉狀玻璃，熱沉積的冰以及含有礫石和甘草纖維的壓縮土（compressed earth）就能製造出建築材料。這些原料都能就地大量獲取到，這取決於你要在哪兒造房子。

這是一個頗具有誘惑力的想法——只要有太陽和原始材料，這些機器人就可以迅速幫助打造出房子，而且成本還很低，集這三個優點為一體，可不常見。研究人員已經設想了幾個應用場景，比如在極地打造冰屋，沙漠用沙子建造分形結構的房子，被海洋淹沒後會變成珊瑚礁棲息地。

在自然災害過後，或者難民危機期間，需要在基礎設施條件很差的地區快速、廉價建造出大批房屋是，這類機器人最有價值。從近期來看，這類機器人是否比其他解決方案更加實際可行，還需要觀察；雖然我們看到很多機器人技術的應用，但是，人力仍然是最廉價也最高效的。