不要害怕机器人

你可能认识我的机器人。我发明自动机器已经有30多年了，其中一款来自iRobot的Roomba非常受欢迎。在我的职业生涯中，我学到了很多关于机器人有价值的东西，并就我们未来对它们的期望形成了一些强烈的观点。我也可以告诉你为什么，与流行的好莱坞世界末日形象相反，机器人在短期内不会接管世界。但这有点言过其实了。让我后退一步。

我对机器人的热爱始于20世纪80年代初，当时我加入了麻省理工学院人工智能实验室的研究人员。我大学主修的是物理，但在实验室呆了一小段时间后，发展中的技术的潜力吸引了我。我成了一名机器人专家。

这样一个令人振奋的工作场所！一大批才华横溢的人正在研究深入的问题和迷人的算法。令人惊讶的是，聪明的机制正在被开发出来，所有这些都汇聚在智能和有能力的移动机器人上。未来似乎是显而易见的。因此，我做了一个大胆的预测，并告诉我所有的朋友：“在三到五年内，机器人将无处不在，做各种工作。”

早些年，新闻报道一次又一次地调侃道：“X大公司已经展示了消费机器人Y的原型。X说Y将于明年上市。”但不知何故，明年并没有到来。在整个20世纪80年代和90年代，机器人从未设法找到走出实验室的路。对于一个坚定的机器人爱好者来说，这是令人苦恼的。为什么所有的期刊论文、聪明的原型和令人喘不过气来的新闻故事都没有在我可以在商店里买到的机器人上达到顶峰呢？

让我用第一个真正成为市场明星的消费机器人的故事来回答。

1999年夏天，当我在iRobot工作时，我和同事保罗·桑丁写了一份提案，题目是“DustPuppy，一种近期的、具有高收益潜力的突破性产品。”我们描述了一种廉价的小型机器人DustPuppy，它可以自动清洁消费者的地板。管理层喜欢这个想法，给了我们10，000美元和两周的时间来建造一个原型。

使用圆柱形刷子、开关、传感器、马达和一个普通的微处理器，我们组装了我们的视觉。在紧张的两周结束时，我们有了它-一个粗糙版的机器人，它在地板上运送清洁机械，而且-基本上-没有卡住。管理层在DustPuppy身上看到了与保罗和我一样的希望。

我们给我们的机器人取名为DustPuppy是有原因的。这将是世界上第一个重要的消费机器人，也是该团队首次尝试消费产品。风险在于客户可能期望过高，而我们交付的可能太少。我们确信-就像一只小狗-我们的机器人会非常努力地取悦我们，但那也-就像一只小狗-它有时可能会搞砸。我们称它为DustPuppy是我们设定期望和希望耐心的方式，如果我们的机器人没有完美地走出大门。唉，iRobot雇佣了一家公司来寻找一个更商业化的名字。经过多次消费者测试，DustPuppy变成了Roomba。当时的想法是，机器人的随机运动让它看起来像是在房间里跳舞--跳伦巴。

保罗和我都知道，建造一台机器人地板清洁工面临着对外行来说并不明显的严峻挑战。人们熟悉的解决方案在应用于机器人时可能会被证明是有问题的，这些解决方案对人们来说效果很好。

您的手动吸尘器可能会从墙上插座汲取1400瓦或1.9马力。在Roomba大小的机器人中，这种机制可以在大约一分钟内耗尽电池。把机器人变大，以容纳更大的电池，机器人就不能放在家具下面了。此外，电池很贵-大型电池的成本可能会破坏销售。我们需要创新。

梅尔维尔·比塞尔(Melville Bissell)在1876年申请了地毯清扫机的专利，他帮了我们的忙。我们借鉴了他的发明来解决鲁姆巴的能源问题。地毯清扫器能非常有效地清除污垢。虽然你提供了所有的电力，但你不会因为推着一个到处跑而汗流浃背。(如果你提供常规吸尘器所需的全部1.9马力，你会出很多汗！)。

我们意识到，我们的高能效地毯清扫器不会像强力吸尘器那样快速或深入地清洁。但我们认为，如果机器人花足够的时间做好它的工作，它也可以同样清洁表面的污垢。如果机器人每天都跑，表面的污垢就不会进入地毯。Roomba以一种不同的方式完成任务，与人工操作的吸尘器相匹配。

任何机器人吸尘器都必须做两件事：1)不会卡住，2)巡视地板的每一个部分。我们部分满足了第一个要求，把Roomba做成圆形，把驱动轮放在直径上。这种形状的巨大优势是，Roomba总是可以在适当的位置旋转，以逃离物体。没有其他形状可以实现如此简单、可靠的策略。第二个当务之急是四处走访，这需要一个不太明显的计划。

你在清洁时系统地移动，只有当一个地方特别脏的时候才会重新检查那个地方。传统观点认为，我们的机器人应该做同样的事情--以布斯特罗菲顿模式驾驶。(这个酷词的意思是交替书写，从左到右，从右到左，就像牛在犁地时一样。)。如何做到这一点呢？我们收到了这样的建议，“只要给机器人编程，让它记住它去过的地方，就不会再去那里了。”

这样的说法揭示了一种感人的信念，即软件可以在没有辅助的情况下解决任何技术问题。但是试一下这个练习(请在一个安全的地方！)。站在一个标示的起点，选择另一个点，比方说，在你左边6英尺处。现在闭上眼睛，绕着中心点走一个大圆圈。你离回到起点还有多远？就像你一样，如果没有合适的传感器，机器人就不能在这个世界上定位。现在已经有了更好的解决方案，但大约在2000年，位置传感系统会使Roomba的成本增加1，000多美元。所以，布斯特罗菲顿小径不是一个选择。我们不得不让Roomba在不知道它在哪里的情况下完成它的工作。

我使用一种叫做基于行为的编程的控制方案来设计机器人。这种方法适合机器人，因为它速度快，反应灵敏，并且运行在低成本的计算机硬件上。基于行为的程序将机器人的控制方案构建为一组简单的、可理解的行为。

记住，Roomba的当务之急是将其清洁机制应用于地板的所有部分，而不是卡住。完成此任务的程序至少需要两个行为。就叫他们克鲁斯和逃脱吧。克鲁斯是一心一意的。它忽略所有的传感器输入，不断输出一个信号，告诉机器人的马达向前行驶。

逃生看着机器人的前保险杠。每当机器人与什么东西相撞时，连接到保险杠上的一个或两个开关都会激活。如果左边的开关关闭，Escape就会知道左边发生了碰撞，所以它会告诉电机将机器人旋转到右边。右侧的碰撞意味着向左旋转。如果两个开关同时关闭，则会做出任意决定。当两个开关都未闭合时，Escape不会向电机发送信号。

偶尔，克鲁斯和Escape会尝试同时向发动机发送命令。当这种情况发生时，称为仲裁器的一小部分代码决定哪个行为成功-输出命令的最高优先级行为获胜。在我们的示例中，为Escape分配了更高的优先级。

观察机器人，我们看到从这些简单的规则中出现了复杂的行为。机器人在地板上移动，直到它撞到什么东西。然后，它停止向前移动，并原地转弯，直到路径畅通。然后，它继续向前运动。只要有时间，这个随机的动作就可以让机器人覆盖并清洁整个地板。

你猜到第一个Roomba的大脑里什么都没发生吗？当观察者告诉我Roomba在想什么时，他们总是想象着巨大的复杂性-给机器人注入既不存在也不必要的意图和错综复杂的计划。我造的每一个机器人都是我能做的最简单、最简单的。任何多余的东西，甚至是智力，都不利于市场的成功。

完整的清洁任务包含一些额外的微妙之处。这些需要的不仅仅是两个行为才能有效运行。但原则是成立的，机器人只包括任务所需的最低限度的组件和代码。

在产品发布的几个月后，我们向一个焦点小组展示了我们的一个原型。设置是经典的：一名主持人向一群潜在客户介绍Roomba，而工程师们则在一面单向镜后面的黑暗房间里观看。

会议进行得很顺利，人们似乎很喜欢这个机器人，它有效地捡起了测试污垢。然后主持人提到，Roomba使用的是地毯清扫机构，不包括吸尘器。

气氛变了。我们的测试小组修订了他们愿意为Roomba支付的价格，将他们的估计从几分钟前削减了一半。我们设计师被搞糊涂了。我们用地毯扫地机解决了能源问题，避免了真空，而且成功了！为什么这对焦点小组来说还不够呢？

几十年的广告让消费者明白，吸纳大量安培的真空意味着有效的清洁。我们希望客户使用更合适的度量标准来判断我们的新技术。但没有现实的方法来实现这一点。相反，我们的项目经理宣称，“Roomba必须有真空，即使它什么都不做。”

团队中没有人想要免费的组件--即使它解决了我们的营销问题。我们想我们能用得起3瓦来驱动真空马达。但是一个典型的真空能燃烧1400瓦。只有三个我们能做什么呢？

我用一把旧热枪的内脏、一些硬纸板和包装胶带，找到了一种方法。事实证明，如果我做一个非常窄的进气口，我可以达到与普通真空相同的气流速度，但由于体积很小，它只需要很小的功率。我们有一个吸尘器，这实际上有助于清洁。

在制造过程中，有一个时刻叫做“致力于模具制造”，这时设计必须冻结，这样塑料的模具才能被切割。如果错过了最后期限，你可能会错过发布日期，对你的销售造成严重破坏。

大约在“提交”前两周，我们的项目经理说，“让我们测试最新的原型。”我们在地板上撒了些代孕泥土，然后让Roomba从上面碾过。泥土没有被搅乱。

恐慌随之而来。早期的原型似乎起作用了，我们认为我们理解了清洁机制。但也许不会。我回到实验室，试图找出问题所在。这包括将粉碎的啦啦队撒在玻璃桌面上，并在我们的清洁装置运转时从下面抬头看。

我们对比塞尔先生的地毯扫地机的概念是这样的：当刷子对着地板转动时，刷毛的尖端会沾上污垢颗粒。刷子在符合要求的裹尸布内旋转，将泥土带到后面，在那里有一个齿状结构从刷子上梳理泥土。然后，泥土落入收集箱。

这种冷静的描述大错特错。事实上，当画笔对着地板转动时，一个轻弹动作会将泥土粒子发射到疯狂的、混乱的云中。一些颗粒反弹到地板上，一些反弹到刷子深处，一些找到了收集箱。解决方案是将裹尸布在画笔的背面稍微延伸一点-这会将反弹出来的泥土重新定向，这样画笔就有第二次机会捡起它。Roomba再打扫一次，我们就可以开始切割模具了，还有一两天的时间。

Roomba的新生统治结束了机器人的长期干旱吗？我的成群结队的机器人服务于人类的梦想就要实现了吗？

自从iRobot发布Roomba以来的几年里，许多其他机器人公司都投下了骰子。这里有几个：Anki，Aria Insight，Blue Workforce，Hease Robotics，Jibo，Keecker，Kuri，Laundroid，Reach Robotics，Reink Robotics和Unbound Robotics。除了机器人和数百万美元的风险资本家投资，所有这些公司还有什么共同之处？今天没有一家营业。

机器人和机器人公司的商业失败并不是一个新现象。在Roomba之前，速度较慢，但失败率同样令人失望。这种令人沮丧的情况让我寻找方法，绕过机器人专家似乎决心犯下的致命错误。我确定了我们在开发Roomba时遵循的三个原则。

当机器人做一项特定的工作时，比如修剪你的草坪或清洁你的烧烤架，它的价值是显而易见的，而且是持久的。但多年来，我看到了许多很酷、很可爱、很吸引人的机器人，它们承诺了巨大的价值，尽管有些含糊，但却没有执行任何可辨别的任务。通常，我能问这样的机器人设计者的最尴尬的问题是，“你们的机器人是做什么的？”在这种情况下，脱口而出的回答是，“一切！”是“一无所有”的同义词。一个成功的机器人的第一个原则是：做人们想做的事情。当机器人的唯一属性是可爱时，价值就会随着新颖性的消退而蒸发。

许多机器人都是从研究实验室中涌现出来的。在实验室里，研究人员渴望第一个取得一些令人印象深刻的结果；成本和可靠性无关紧要。但对于现实世界的产品来说，成本和可靠性是最重要的。尖端技术很少是便宜、可靠或及时的。第二条原则：使用既定的技术。一个关于机器人完成的关键路径的研究项目可能会无限期地延误送货。

人们有他们想要完成的工作和他们想要实现的状态-干净的地板，修剪过的草坪，梳妆台里新折叠的衣服。结果很重要，方法不重要。如果机器人不能提供最低成本、最不费力的解决方案，顾客就不会买它。第三条原则：机器人解决方案必须与现有解决方案相比具有成本竞争力。人们不会花更多的钱让机器人来做这项工作。

有几个机器人取得了令人印象深刻的成功：Roomba，Kiva Systems(仓库机器人)，以及Husqvarna的AutomPower(割草机)。但我以这样一个问题开始这篇文章：为什么不是到处都是成功的机器人？也许答案正变得越来越清晰。

机器人的成功是机会主义的。并不是每个应用程序都有可行的机器人解决方案。最先进的技术意味着只有精选的应用程序才能提供：巨大的市场；支持自主的现有技术；超越其他解决方案的机器人方法。

还有一个更微妙的方面。机器人和人类可能以完全不同的方式完成相同的任务。这使得决定哪些任务适合机器人是困难的，但在我看来，这是非常有趣的。每一项潜在的任务都必须从头开始重新设想。

当安吉丽卡·林烤杏仁饼时，她有自己的厨房帮手直木。她的助手只擅长像筛选面粉这样的重复性工作，但却使这项工作更有趣。直木非常可爱，身高不到两英尺。他大部分是白人，有..。多读。

我最新的机器人Tertill可以防止家庭花园里的杂草滋生。人类园丁把杂草连根拔起。为什么？因为这优化了园丁的时间。留下树根并不是道德上的失败，它只是意味着杂草会迅速重新发芽，迫使园丁花更多的时间除草。

特提尔不拔杂草，而是用另外两种方式攻击杂草。它去除杂草的顶部，并利用轮子的擦洗作用在杂草从种子中发芽时将其除掉。这些策略之所以奏效，是因为机器人与园丁不同，它住在花园里。特蒂尔每天都会回来阻止扎根的杂草进行光合作用，所以根最终会死亡；不断受到干扰的杂草种子不会发芽。

如果Tertil复制了人类的解决方案，所需的根提取机制和视觉识别系统将增加开发时间，增加成本，并降低可靠性。如果不重新设想这项任务，就没有解决方案。

机器人做他们的工作已经够辛苦的了。让他们承担不必要的功能和期望会使问题变得更糟。这就是为什么当设计师给他们的机器人加上拟人化的特征时，我总是感到恼火的原因之一-他们做出了任何机器人都不能信守的承诺。拟人化的特征和行为暗示着机器人与人类有着相同的内心生活。但事实并非如此。相反，这个机器人有一袋有限的模仿人类的把戏。一旦主人看过了所有的把戏，机器人的新颖性就会耗尽，随之而来的就是开启机器人的理由。在新颖性消失后，只有执行有用任务的机器人才能继续服役。

据我所知，商业上成功的机器人中没有多余的。这包括计算周期--它可能用来思考统治世界的周期。机器人的所有资源都投入到完成它设计的任务上，否则它不会成功。工作的机器人没有时间接管世界。

机器人出现得很慢，因为每一个机器人都需要罕见的市场、任务、技术和创新的融合。(还有运气。我只描述了一些差点杀死鲁姆巴的事情。)。但随着技术的进步和成本的下降，机器人设计师的工具箱不断扩大。因此，更多类型的机器人将跨过经济可行性的门槛。不过，我们可以期待一个常数。每一个新的、成功的机器人都代表着一个最小的--人们想要解决的问题的最简单、最低成本的解决方案。越来越多的工具可以让我们解决更有趣的问题，这使得现在是练习机器人的令人兴奋的时候。

乔·琼斯(Joe Jones)是富兰克林机器人公司(Franklin Robotics)的联合创始人兼首席技术官。他毕业于麻省理工学院，拥有70多项专利。