科学机器人子刊：从机器人社交与医疗自动化分级到机器人建筑平台

机器之心报道

图：社交辅助机器人的例子

机器人发展的驱动力是对自动化人类工作的渴望。将机器人应用到人类工作中的讨论一直持续着。不过，这些讨论多半关注经济影响。然而，机器人对人类健康也产生着重要影响。有关人类寿命以及恢复能力的科学研究表明，对于健康幸福来说，想要保持身体和认知活力的驱动力十分重要。人们也认识到精神问题，包括抑郁和社交隔离正变得越来越多。

从手术到远程医疗，机器人正在改善医疗健康的准确性、持续一致性、安全性以及普及性。过去十五年中，机器人已经开始进入一个新领域：越来越多的行为科学以及神经科学证实，与和屏幕交互相比，人类更喜欢和具有身体外形的具身共现智能体 （ physically embodied copresent agents ），比如，其他人、宠物以及机器人互动。而且，在这一语境下，人类更容易变积极，改变行为，也更愿意学习。因此，机器人不仅分担人类的体力活儿，还能促进人类社交互动：鼓励人们做自己的事情。

社交辅助机器人（SAR）关注研发促进智力发育、社交互动类型的机器人，这类机器人提供的是社交辅助而不是身体支持，它们也是康复机器人的补充。不过，与康复机器人相反，SAR 不是触摸型的，而是用非接触方法进行监督、训练以及陪伴。比如，一款 SAR 中风患者康复教练会通过演示的方式为患者提供训练挑战；监督患者运动；提供训练质量反馈以及需要改善的地方。鼓励并敦促患者再接再励。

SAR 系统已经被用于颇有挑战性的健康护理情境——包括中风恢复，独孤症行为治疗、精神健康护理、老年痴呆症等，还包括健康老年人的护理——也被用于积极探索提高儿童教育以及其他训练场景。所有这些应用场景都需要专注的、一对一、日常和时间延续的互动。SAR 并非要取代稀缺的人类护理人员，而是要走进人类无法提供服务的领域以及增强人类现有的工作。

人类增强放大并提高了人类工作能力。该领域包括许多技术，比如假肢、矫正技术以及取代缺失功能的物理复制设备；延伸身体功能的外部骨骼；填补或补充人类能力、与人类一同工作的协作系统；还有监督以及促进人类工作的社交辅助机器人。远程操作设备能够让远距离操作成为可能，也能让干工作更加精确。

不过，与其他人类增强领域相反，SAR 需要与用户进行社交，而不是身体上的互动。社会互动很复杂；演化理论表明，复杂的社会结构是人类智力发育的主要驱动力。SAR 设计人员必须确定实现类似社交互动系统的方法，该系统能够无缝融合机器人的身体、认知以及社交面向。这些组成部分的不一致性以及用户的高期待很重要，也是一种明显系统失败：用户拒绝的主要原因。恐怖谷的理论就是这类失败的例子。

另外，回应社交伙伴的时点也一个巨大挑战；SAR 系统必须在社交时间尺度内运行，这既是个性化的，也是语境下的；回复太慢或太快或总是重复会打断社交动态过程。时点难题也被应用到身体（动作，姿势和面部表情）以及非身体（语言或非语言的语音化）沟通形态及其时间协调上。

具身化交流（ Embodied communication）是一个开放的研究领域：面部表情、头转动的方向、注视、身体姿势以及方向还有手势等这些所谓的非正式渠道微妙之处，都传达着更多的信息，胜过口头语言。可观察性也是一个难题：有效的社交互动不仅包括理解用户可观察到的行为（比如行动，面部表情），也包括解释用户的情绪，感情状态以及意图等。

最后，互动的个性化以及适应性都是必须的：用户的具体的社交行为、行为模式、驱动力以及对新奇性、变化或持续性的偏好都是不同的。SAR 系统必须能察觉到这些并根据个体不同，迅速准确地进行调适，如果这些系统想要被用户接受并继续有效的话。

这一领域发展需要机器人学家和社会学专家、认知科学家、发展学科学家以及其他相关领域的专家合作，比如中风、孤独症、早教等。也需要将信号处理、机器学习、自然语言处理以及其他人机交互计算领域的专家团结起来。正如其他健康研究领域，该领域也需要满足隐私规则并为日益壮大社区所共享的大型数据集，让该领域的研究超越当前的小型、轶事一般的用户研究方式。最后，我们仍然需要一个互动、安全以及经济的机器人平台用于更加广泛地研究 SAR 以及人与机器人的交互。当前的平台非常缺乏用于解决上述研究难题的物理特性。

不同年龄阶段对有效、可爱的以及个性化护理的需求日益增长，这也驱动着旨在人类增强的机器人越来越多，而且这一驱动力仍然没有得以好好开发。我们很容易设想出如何将这些系统用于监管以及协助儿童的身体、认知以及社会性的发育；辅助脑创伤后的康复；中风后的复原；缓和帕金森等其他神经退行性条件等。SAR 以及其他人类形式的人类增强技术会是自动化的有利补充，也代表了可能给人类带来重大影响的广泛研究挑战。

这期子刊的第二篇焦点文章关注了医疗机器人的自动化分级问题。

从微创、靶向治疗到应急响应、假肢和家庭助理等，医疗机器人已经成为医疗设备领域增长最快的一部分。我们需要根据医疗机器人不同自动化程度以及适用背景，认真对其进行管理、道德以及法律上的规制。在自动驾驶领域，我们已经定义了不同汽车自动程度，然而，医疗机器人这方面却是空白。在这篇短文中，作者对医疗机器人的自动化程度进行了定义，为进一步讨论提供了一个可能的框架。

文章将不同自动化程度分为五级：

0 级：无自动化。位于这一水平的医疗机器人包括远程操作机器人、能遵循患者要求的假肢设备。不具备行动扩展（motion scaling）的手术机器人也属于这一类，因为其输出代表的是外科医生想要它执行的动作。

1级：机器人辅助。任务期间，提供一些机器指导或辅助，人类需要持续控制该系统。例子：带有虚拟夹具的手术机器人以及带有平衡控制的下肢假体设备。

2级：任务自动化。与1级不同的是操作者断断续续而不是持续控制系统。比如，手术缝合——指出哪里要缝合，机器人就自动进行缝合，医生只用监管，仅在需要时进行干预。

3级：条件自动化。一个可以生成任务策略类别的系统，不过，还需要人类从中进行选择，或者批准系统自动挑选出来的策略。无需密切注意，这类手术机器人就能完成任务。比如，一个活动的下肢假体设备能够自动感受到穿戴者想要移动手臂的想法。

4级：高度自动化。机器人可以做出医疗决策，不过是在合格医生的指导下。手术中，这类机器人就类似机器人住院医生，在主治医生的指导下进行外科手术。

5级：完全自动化（不需要人类）。亦即所谓的「机器人手术」，机器人完成整个手术，一个普通医生可以完成的所有手术过程都可以由这个系统完成。不过，目前这一水平机器人只存在于科幻中。全自动化机器人需要复制专家医生的感知运动技能。

随着自动化水平的递升，管制面临的挑战也越大。

目前，一些医疗设备已经处在3级水平，因此，随着将这些机器人设备用于更加复杂的过程和环境，挑战也会变大。1-4级的手术机器人，本质上仍然是由手术医生来控制的。机器人设备主要是遵照医生的命令行事，不过，留给机器执行的细节程度会不同。另外，我们预期，人们也会越来越接受机器人在自动化手术领域的应用，毕竟自动驾驶汽车已经开始变得普遍。

MIT提出机器人建筑平台：只需阳光和原材料即可按需生产房屋

这篇论文介绍了一种数字化建筑平台（Digital Construction Platform ，DCP）：一种自动化建筑系统，可以根据定制要求现场搭建出建筑物。易言之，就是一款利用增材建造技术来建造大型建筑的机器人手臂，不过这支手臂更安全，搭建速度也快，在某些情况下，这些建筑还可以重复使用。

近几年，一些我们见过的最有趣的机器人已经开始使用增材制造技术，搭建小型建筑物，甚至建造它们自己。大规模的机器人建筑活动也处在积极研究中，不过，仍然没有看到任何概念或者原型出炉。现在已经有垒砖机器人，可以用混凝土3D打印出建筑物的门架式机器人（gantry robots），甚至还有可以一次搬一块砖、建造墙面的无人机。这些解决方案中，最实用的可能就是门架式３Ｄ打印机了，但是，这些打印机有一个很大的弊端：在某个地方搭建起这些机器系统，然后让这些机器生产活动房屋时，才给力。

而 MIT 媒体实验室的数字化建筑平台是移动的（最快速度为每秒0.5米），而且是自己控制的。电源驱动（上面装有几块太阳能板，可以根据情况再多装几块），因此，只要有太阳，就有可能不停运行下去。至于其他方面，这个平台模拟了许多3D建筑打印机的功能：延伸范围很长，最大可打印体积为2,786立方米。机器人也有两条手臂，但并不是严格地按照人类胳膊建模：有一条4个自由度的大且长的胳膊，可以从事所有大运动，还有一条小胳膊，灵敏的、6个自由度的Kuka胳膊，主要从事类似人类手指擅长的精细动作。合在一起，整个系统成本为24万4500美元，价格比较合适。

这个平台系统采用的建筑技术很直接：小型胳膊一端有一个喷头，它可以将两种化学物质混合成一种液态的聚氨酯泡沫体，这种泡沫体会迅速膨胀并硬化。你可以编程打印出任何你喜欢的东西，在上面的demo视频中，机器人正在以每小时1.728立方米的速度搭建14.6米宽、3.7米高的半球型开放圆屋顶，一层一层地打印。机器人并不是直接用泡沫体打造整个建筑，而是打造一个混凝土模本：两个泡沫体墙壁，一面嵌套在另一面里 ，在布好管道以及电线等内容后，你可以在中间的空间注入水泥，这样建筑物就能更加持久还富有弹性。保留泡沫不过是增加建筑的绝缘性。但即使如此，只有泡沫、没有混凝土，结构仍然足够强健，一个营养充足的研究生可以在上面玩跳房子：

因为泡沫干的很快，因此，真有可能用这个材料造出一个圆顶，因为连续层并不必然是一层接一层地打印。它们甚至可以90度抵消，这样，平坦的屋顶、没有支撑的装架和长凳也有可能。当需要额外支撑时，研究人员已经测试了自主嵌入的钢筋，以及已经被自动焊接成僵硬形状的链条，如下所示：

为了能在任何地方按需制造房屋，DCP需要两件东西：电源和材料。电源虽然麻烦点，但技术上并没什么难度，只要（理论上）可以添加太阳能板直到机器人正常运转起来。建筑材料就有点难办了，很难从头制造出泡沫体成分。不过幸运的是，这并不是唯一有用的建筑材料，即使可能是最适合建造的材料。一些初步试验已经取得成功，研究人员使用电烧结粉状玻璃，热沉积的冰以及含有砾石和甘草纤维的压缩土（compressed earth）就能制造出建筑材料。这些原料都能就地大量获取到，这取决于你要在哪儿造房子。

这是一个颇具有诱惑力的想法——只要有太阳和原始材料，这些机器人就可以迅速帮助打造出房子，而且成本还很低，集这三个优点为一体，可不常见。研究人员已经设想了几个应用场景，比如在极地打造冰屋，沙漠用沙子建造分形结构的房子，被海洋淹没后会变成珊瑚礁栖息地。

在自然灾害过后，或者难民危机期间，需要在基础设施条件很差的地区快速、廉价建造出大批房屋是，这类机器人最有价值。从近期来看，这类机器人是否比其他解决方案更加实际可行，还需要观察；虽然我们看到很多机器人技术的应用，但是，人力仍然是最廉价也最高效的。