機器人前傳：500多年前，原始機器人都長什麼樣？

按：本文作者郭晴/劉偉，來自北理工人機交互與認知工程實驗室（公號：人機與認知實驗室），雷鋒網已獲授權。

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早在五百多年前列奧納多·達·芬奇（以下簡稱達·芬奇）這個大天才寫了大量關於自動機描述，在他的個人筆記中也充斥著各種機械發明的構思，比如彈簧驅動的汽車和機器獅子。有記載稱，達·芬奇在1515年將一隻機器獅贈給法蘭西國王，當獅子自己走到王位前，獅子的胸部就會打開並獻出「鳶尾花」。

當然，達·芬奇的手稿中最特別的、最具有挑戰的發明要屬日耳曼裝甲騎士，就如《維特魯威人》一樣，這個騎士也是達·芬奇在解剖研究方面有關人體比例的部分成果。研究者們通過對保留下來的達·芬奇草圖的分析，了解到這個騎士由安裝在外部的機械曲柄驅動並且通過纜繩和滑輪實現坐起、站立、轉頭、開合嘴巴以及舉起胳膊。雖然如今沒有這個自動機制的全部草圖，證據表明在米蘭伯爵的政治庇護下達·芬奇可能已經建造了這個騎士原形。

達·芬奇創造這個機器人目的是解釋：人類的身體在結構上也是一個機器（一種以化學為基礎的機器）並且人類的複雜動作可以通過使用工程機械零件如槓桿和滑輪來模仿。

在那個時代「可編程」是通過滑輪、繩索及控制桿等實現這讓筆者突然想到去年八月，IBM研究院發布了一款顛覆傳統計算模式的認知計算晶元「SyNAPSE」。這個晶元突破傳統的馮·諾依曼計算範式進行數據處理，模仿大腦的驅動、分布和並行處理過程。可見，我們現在依然延續著對這個假說的印證。

美國國家宇航局（以下簡稱NASA）很重視達·芬奇的手稿，因為達·芬奇的人體解剖圖是目前公認的最簡單和詳細的，比的上現在科技的任何產物。NASA的機器人不會永遠探測隕石和考察地貌，NASA重視達·芬奇機騎士目的是總有一天機器人會在國際空間站工作並且最終協助移民火星。下圖是達·芬奇解剖圖與現代三維成像的精準度比較：

基於達·芬奇的騎士設計的基礎和靈感，NASA機器人專家馬克·羅塞姆（Mark Rosheim）花了五年時間重現了達·芬奇的騎士——「Anthrobot」，同時他也是創造「Anthrobot」這個名字的人，這個名字由兩部分組成：「Anthropology」人類起源與發展的研究和「Robot」自動機械、機器人。

馬克考慮到至今機器人專家們還不能夠解決正確複製肌肉和關節的運動這個問題，對達·芬奇的騎士十分感興趣。當讀到卡洛·佩德瑞提（Carlo Pedretti）的書時，他從這位義大利學者的記錄中發現了達·芬奇丟失的筆記，這其中包括機器人騎士。於是馬克開始前往擁有四百多年歷史、保留一部分達·芬奇筆記的佛羅倫薩，住在這個地方的日子中，他也去經歷了當年達·芬奇走過的相同的街道。

之後，馬克開始了他的項目。

首先，馬克將達·芬奇素描畫的男性骨架結合鋼鐵金屬構建達·芬奇設計的全部運動關節。達·芬奇的繪畫就像他現在所做的這些工作的支柱，這使他更深入地理解達·芬奇的騎士。然後，為了更好的模仿身體的正確運動方式，馬克將繩索繞在主齒輪的輪軸上，繩索鬆緊變化使機器人的四肢隨著繩索鬆緊擺動從而實現肌肉、肌腱和韌帶功能。就機器正確模仿人類運動這個過程而言，關節通常是會出現最多問題的地方，其中手腕的設計是一個最困難的瓶頸。然而，藉助達·芬奇的研究成果，馬克找到了一種實現手腕全部動作的方法，為機器人擁有靈巧雙手打下了基石。最後，馬克使用複雜電腦動畫程序來構建達?芬奇的騎士，並將其提交給了NASA。NASA希望將來基於達·芬奇騎士設計靈感的「Anthrobot」能維護空間站的系統，特別是在人類不在現場的時候。「Anthrobot」也將被用於火星相關任務，我們很容易理解機器人的職責：想像NASA向他發送的數字命令和計劃，然後他就像一個人類工程師該做的一樣完美的進行著而不需要任何休息。

1540年義大利發明家GianelloTorriano發明了一個可以演奏曼陀林的女機器人，在那個時代為人們提供簡單的娛樂。如今，這個美女機器人依然在維也納藝術史博物館中陳列。筆者未找到關於這個機器人的詳細記載，下圖為演奏曼陀林的女機器人。

大約十年後， 「機械修道士」的誕生引起了不小的轟動，這個傑作由Juanelo Turriano（發明家兼鐘錶師）在1560年左右完成。已經有450歲的「修道士」至今仍被陳列在華盛頓的史密尼森博物館，而且它的所有功能完好無損。

這個「機械修道士」高約15英寸，它的動力裝置包括一圈圈的彈簧、鐵制的凸輪和控制桿，還有隱藏在斗篷下的三個用於移動的小輪子。他能在四方形的範圍內行走，有節奏地點頭並時不時地舉起右手敲打胸口，舉起和放下左手將木質十字架和念珠戴到另一隻手上，同時，他不時地把十字架帶到他的唇邊上親吻它。這個人形機械裝置看上去栩栩如生，像真正的修道士在虔誠的祈禱一樣。

在這個機器人背後還有一個小故事：西班牙國王菲利普二世對其小兒子的誓言。當時菲利普國王的小兒子頭部受了重傷，國王悲痛欲絕。國王找了許多醫生仍不能治好王子的病，於是他向上天祈禱：如果兒子的病能治好，就還給上天一個奇蹟。好像老天爺真的聽見了這位慈父的真切請求，王子的病最終奇蹟般地痊癒了。菲利普國王履行了諾言，重金懸賞了這位Juanelo Turriano大師，大師製造了這個以聖人Diego為原型的機械裝置。

當然，並不是所有的原始機器人在機械自動化上創造的奇蹟都是聲名遠揚的，1769年匈牙利作家兼發明家沃爾夫岡·馮·肯佩倫（Wolfgang vonKempelen）建造的土耳其機器人（Mechanical Turk）因被視為能夠跟國際象棋高手對弈的機器人而一度名聲大噪，但在幾年之後，這個騙局最終被揭穿：機器人之所以會下棋是因為箱子里藏著一個象棋大師。

土耳其機器人由一個楓木箱子跟箱子後面伸出來的人形傀儡組成，傀儡穿著寬大的外衣，並戴著穆斯林的頭巾，它能自動而快速地下象棋，用複雜的齒輪和槓桿系統來移動棋子。這個機器人在維也納皇宮首次表演就迅速擊敗了對手Cobenzl伯爵，讓在場的皇室成員都十分興奮。從此肯佩倫帶著這個大名鼎鼎的機器人在歐洲各地進行表演，擊敗了一系列著名的挑戰者，這其中包括拿破崙和本傑明·富蘭克林。

雖然「土而奇」機器人在自動化上存在貓膩，但值得注意的是，象棋大師用一個磁鐵系統來跟蹤對手的舉動並移動自己的棋子，這實際是在模擬一種人工智慧。亞馬遜就2005年推出一個叫土耳其機器人（Mechanical Turk）的服務，其理念就是讓人力眾包來完成電腦力有不逮的細碎、精確的智能工作。這種眾包讓計算機調用人的智慧智能，把人和電腦的角色顛倒過來，讓人成為任務的完成者，而電腦成為任務的分配者。

在這個「土而奇」機器人誕生年代裡，筆者最後打包介紹一組原始機器人。說起它們的創造者，大家也許並不陌生，瑞士表Jaquet Droz是世界上最古老的鐘錶品牌之一，而公元18世紀鐘錶界誕生了兩位鐘錶天才，其中一位就是機器人的創造者傑奎·多斯（Pierre Jaquet-Droz）。跟其它鐘錶大師不同的是，傑奎·多斯除了熱衷於鐘錶外還將自己的心力投注到製作極盡複雜的機械裝置上，他將自己畢生專研數學和機械所獲得的知識傳授給他的兒子小亨利（Henri-LouisJaquet-Droz）以及徒弟基恩·弗雷德雷克（Jean-FredericLeschot），三個人一同創作出了歷史上最著名的三個機械人偶：「畫家」TheDraughtsman 、「音樂家」 TheMusician和「作家」TheWriter。

1768年他首先製造了叫做「作家」的人偶機器人，這個機器人高約兩英尺。「作家」利用的主要是凸輪技術，凸輪隨動機件根據不同凸輪讓機器男孩的手臂做出各種動作。凸輪不僅控制男孩的每一次落筆，同時也精確地控制鵝毛筆在墨水瓶中蘸取墨水和下筆力度。「作家」內部配有純手工製作的6000多個零件，理論上由凸輪控制的飛輪包含所有標點符號和字母（事先編程好的40個字母），可以以任何順序排列組合，進而在紙上流暢地寫出所有單詞。這裡筆者分享一個介紹「作家」內部結構的視頻：

「作家」誕生之後，傑奎·多斯與他的兒子小亨利、一個叫做基恩·弗雷德雷克的同事，基於同樣的原理，一同製造了另外兩個機器人。其中一個叫做「畫家」，它可以畫出四副不同的肖像畫：丘比特駕馭著由一隻蝴蝶拉著戰車的情景、路易斯國王十五世、一隻狗並在空白處寫著「Mon toutou」（我的小狗）以及王室夫婦（普遍認為是路易斯十六世和其王后瑪麗·安托瓦內特）。「畫家」也利用凸輪系統二維編碼手部動作，使手部操控鉛筆。同時，這個男孩可以在椅子上移動，並且他可以定期清除筆上灰塵。

最後這個女孩叫做「音樂家」，它可以用風琴演奏5種不同的歌曲。她不是由一個音樂盒記錄和播放，這個女孩實際上更像一個專門定製的由手指按壓琴鍵的儀器。每個機器人的眼睛都會隨著動作的變化而移動，同時，「音樂家」的胸部還可以隨著演奏時的呼吸而起伏，就如一個真正的演奏家的姿態一樣（如會平衡軀幹）。

傑奎三人的這些發明讓歐洲18世紀晚期的的皇宮貴族們嘆為觀止，最後被收藏在了瑞士的一個博物館內。至今，這些發明仍然能寫、能畫、能彈，讓今天的人們也同樣讚不絕口。

筆者主要以介紹人形機器人的祖先為主，雖然歷史上還有不少其它自動機械如：公元前1400年巴比倫人發明的漏壺、公元前270年左右古希臘發明家特西比烏斯（Csestibus）發明的水鍾以及1737年法國發明家雅克·沃康松（Jacques Vaucanson）製造的發條鴨子等。但在筆者看來能通過機械裝置模仿人類這個高級生命體是最神奇的，特別是在沒有電的年代，這些誕生的全自動化的、有程序性的機械，和人類具有同樣大小的複製品，可以運動的「活物」——原始機器人。最後和大家分享一本書：

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