文\ｅｏｆｆ Ｄｏｗｎｔｏｎ Ｓｔｅｖｅ Ｇｏｍｅｚ等
曾经作为科幻小说主题的机器人技术，如今已发展为工程与技术领域的一个专业分支。从太空探测到家庭护理，这些技术已广泛应用于各个领域。机器人可代替人类从事危险与枯燥的工作，使不可能成为可能。
油田与工厂
与其他服务机器人一样，油田机器人从事着所有三“Ｄ”工作，即肮脏、枯燥和危险作业。这些作业包括自动定向钻井和闭环连续钻井。此外，服务机器人（如ＲＯＶ）也使得深水钻井作业成为了可能。
随着石油公司开始在深水远景区进行勘探，钻井水深极限范围被限定在人为干预的最大深度。在采用专业潜水设备的情况下，这一范围约为３００米（１０００英尺）。载人潜艇是一个可行的选择，但也仅能到达约６００米（２０００英尺）的深度。大于这一深度时，只能选择ＲＯＶ实现人为干预。因此，当前在用的所有浮式钻机都至少拥有一台ＲＯＶ。即使当钻井水深在人为干预的范围内时，ＲＯＶ也代替人类成为水下干预的主要方式。
ＲＯＶ被归类为遥控机械手，隶属于专业服务机器人这一分支（图５）。只要在开始作业前设计任务，这些机器人就可执行所设计的多个任务。与人类操作员不同，ＲＯＶ不能应对变化的环境，当作业不同于计划时，即使简单的任务，它们也无法完成。实验工作是一项艰难的选择。因此对于ＲＯＶ来说，操作员的计划是作业执行中最关键的阶段，反应力能够反应ＲＯＶ操作员了解和对情况做出响应的能力。
油气行业中的其他机器人技术可替代一些工序，在这些工序中，需要的反应能力超出了人类的能力范围。例如，最近引入了一项技术，能够利用旋转导向装置实现水平钻井的自动化。
ＳＬＩＤＥＲ地面自动旋转控制系统采用了一种机器人钻井方法（图６）。基于一种扭矩摇摆技术，ＳＬＩＤＥＲ技术实现了自动化操作，极大地提高了机械钻速（ＲＯＰ）、提升了安全性并延长了井下设备的使用寿命。利用该技术，ＲＯＰ提高了约２９４％。
扭矩摇摆技术已在行业中应用多年，是利用顶驱钻井系统实现预定的扭矩值。在到达井底装置前，这一地面施加的扭矩值会在钻柱内发生损耗。目标是要最大限度地减小阻力，同时确保井底装置的工具面不会发生变化。
在斜井和短水平井段中，已成功实现了对该技术的人工控制，但当井身结构变得更加复杂时，该技术的成功率大大降低。事实上，在钻大位移水平井段或复杂井筒几何结构时，由于必须综合并处理大量来自输入源的信息，因此无法有效地实现人工扭矩摇摆技术。
ＳＬＩＤＥＲ系统可自动施加扭矩，并能对井上和井下环境做出反应。反扭矩在井下测量并作为确定施加扭矩时间与大小的依据，此外，该系统还可识别危险情况（如钻头失速、钻杆倒扣和卡钻等），并立即采取纠正措施。最初是通过自动控制来旋钮、搬动控制杆和控制按钮。而最新的技术则利用电子界面来控制当前的钻机设备，精确调节驱动控制面板的电压与电梳。
研究了代表各类井别和复杂性的４口范例井，展示了采用ＳＬＩＤＥＲ钻井系统带来的优势，包括延长了大位移井段的长度、节省了泥浆添加剂、减少了钻头起下次数、提高了定向速度以及增加了滑行机械钻速等，这些都带来了经济效益（图８）。这一自动控制过程无需像扭矩摇摆技术一样需要猜测，同时提高了钻井效率、降低了成本并减少了钻井设备损坏所产生的停工时间。
随时提供服务
ＳＬＩＤＥＲ统是服务机器人的一个代表，但对于这类机器人却没有国际上公认的定义。国际机器人联合会采用了如下初步定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康和设备健全的服务工作，但不包括从事生产作业。
服务机器人还可分为两小类：专业服务机器人（如ＳＬＩＤＥＲ统、排弹机器人和手术机器人）和个人服务机器人（如真空吸尘器、割草机和残障辅助机器人）。
外科辅助手术机器（ＳＡＲ）是专业服务机器人的一个专门分支。在它们的帮助下，医生可以遥控操作，通过小切口实现微创操作。在有些情况下，传统的有创手术已降级为门诊流程。减少了身体创伤，就能极大地减轻病人的疼痛并缩短恢复时间。
第一次有文件记录的机器人辅助外科手术（神经外科活检）发生在１９８５年，当时采用了Ｐｕｍａ ５６０系统。不久之后，美国国家航空航天局（ＮＡＳＡ）的研究员与斯坦福研究院（美国加利福尼亚州Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ）合作，开发了一种用于外科手术的灵活遥控机械手，它的目标是要为在其他地方的外科医生提供直接为病患手术的感觉。
ＮＡＳＡ致力于获得外科手术远距离操作方法，尤其是可应用在太空领域的方法。认识到这些新发明的潜在价值后，美国军方资助了此项研究，以实现对受伤士兵的远程外科手术。可以想象这样的场景，一名受伤士兵被带到移动平台，接受远程遥控手术。直至今天，该系统还未应用在实际战场上，但已成功实现了对动物的远程手术。这也证明了这一远程自动外科手术操作的巨大潜力。
从事早期项目的工程师和外科医生开发了一款商业ＳＡＲ。利用ＡＥＳＯＰ内窥镜定位器，外科医生可通过声音指令操纵含有内窥镜照相机的机械手。该设备由美国摩星公司（ＣｏｍｐｕｔｅｒＭｏｔｉｏｎ Ｉｎｃ．）制造并销售，是美国食品药品管理局（ＦＤＡ）批准的首个机器人系统。在经过大量的修改与重新设计后，这些早期的新发明已发展为ｄａＶｉｎｃｉ主从式外科手术机器人，由直觉外科公司销售。
ｄａ Ｖｉｎｃｉ系统统在设计上是要带给外科医生直接接触病患的感觉（图９）。与传统的外科手术技术相比，三维可视化和放大特定区域的能力可帮助外科医生更好地控制和观察。当前研究工作的重点是寻找能够结合触觉技术的方法，以帮助外科医生更好的控制手术操作。
ＦＤＡ已批准将该系统用于腹腔镜和胸腔外科手术中。关于内窥镜冠状动脉搭桥术的试验正在进行中。利用像ｄａ Ｖｉｎｃｉ统这样的设备进行机器人手术具有诸多好处，包括最小创伤（有时被称为无血手术）、较小伤痕、低感染率、最小副作用以及较短住院时间（当天或第二天出院）等。机器人辅助腹腔镜前列腺切除术就是此类手术之一。在采用机器人辅助技术之前，传统方法需要较大的切口，这通常会导致术后并发症并需要较长的恢复期。手术过程中，病人时常发生大出血，并会增加术后感染的风险。长期住院和巨大的疼痛，紧接着就是高发病率的膀胱和性功能障碍，使得外科手术通常成为最后的求助手段。随着机器人外科手术技术的引用，这一情况将会发生改变。
既用于战场又用于家庭
对战场中远程外科手术的需求促进了第一代商用ＳＡＲ的开发，但这不是服务机器人在军事领域的唯一应用。１９９０年，ｉＲｏｂｏｔ公司设想使实用机器人成为现实。公司的创始人首次开发出用于太空探测的Ｇｅｎｇｈｉｓ机器人（图１０）。接着出现了一系列服务机器人，包括ｉＲｏｂｏｔ ＰａｃｋＢｏｔ系列机器人，该机器人曾在２００１年用于在纽约世贸中心寻找残骸。第二年，ＰａｃｋＢｏｔ机器人首次用于军事用途。
在阿富汗和伊拉克的军事冲突中，机器人系统首次在战斗行动中发挥重要作用”。机器人远程执行各类行动，例如洞穴和地堡侦查、化学和放射性物质检测以及爆炸军械处理等（图１１）。探测并拆除简易爆炸装置（ＩＥＤ）是它们的主要职责。
利用机器人清除阿富汗的地雷是一个联合国资助项目，在该项目初期，社会反应就如同工业革命时期的反应一样。一部分当地工人受雇于清除地雷，而他们将机器人对手视为对其生存的威胁。但是通过培训，他们发现可以以更安全的方式完成工作。
他们发现他们并未被取代，而是能够利用机器人在更低的风险下完成更多的工作。２００２年，ＰａｃｋＢｏｔ机器人实现了它的第一次军事行动，而同年，ｉＲｏｂｏｔ公司推出了首个用于一般家庭的个人服务机器人，ｌＲｏｂｏｔ Ｒｏｏｍｂａ吸尘器机器人（图１２）。它利用传感器在障碍物周围穿行，它的软件与扫雷软件类似，确保以高效的方式实现全面覆盖。
在控制方面，Ｒｏｏｍｂａ地板吸尘机器人的原理类似于反应范式。该装置利用ｉＲｏｂｏｔ Ａｗａｒｅ ２机器人智能软件，计算清扫整个地板的最佳路径（感知阶段）。随后它会启动多种作业模式中的一种，来清扫地面（动作阶段）。这些模式包括沿墙壁前进（沿房间的周边前进并在家具和障碍物周围穿行）、横穿房间（交叉方向前进，以确保全面覆盖）以及螺旋前进（清扫集中区域）。
当需要更集中的清扫时，灰尘探测传感器会发出信号，该装置就会自动调整到所需状态。当该设备完成任务后，或当电池电量低于预定值时，它会自动返回并与充电站相连。根据联合国开展的全球机器人调查，在２００６年年底，预计有３５４万在用的机器人。此后，这一数字迅速增长，据预测在２０１０年年末，机器人的数量将超过８３０万（图１３）。这些个人服务机器人虽然十分智能且很有帮助，但还未实现全自主模式，通常需要人的干预。随着自主技术的迅速发展，拥有更强自主性的家用机器人最终将成为寻常事。
个人服务机器人包括机器人宠物、草坪维护机器人、看家机器人以及家庭自动化机器人，但康复和残障辅助机器人拥有的巨大发展潜力是其他类机器人所不能及的。仅在美国，预计就有３００万人患有某种形式的残疾，必须使用轮椅。许多人完全依靠轮椅作为主要行动方式。在全世界范围内，轮椅使用者的数量超过６７００万。
工程师正在研发矫正机器人，为那些残疾人以及腿部失去控制的人员提供移动帮助。加利福尼亚大学伯克利机器人和人体工程实验室开发出了伯克利下端骨胳负重器（ＢＬＥＥＸ），是多种机器人助行架的一种。该设计意欲帮助使用者利用最小的力量熟练操控大负荷，它还能够为行动障碍者提供帮助。
该系统被系在臀部和腿部，传感器帮助使用者抬腿、攀登和向前移动，同时确保稳定性。由一个佩戴式背包向其提供动力（图１４）。
与人类和动物相比，当前的机器人运动技能还十分落后。针对这一领域进行了大量研究工作，以改善人机界面，从而提升移动能力并帮助残疾人恢复这一功能。而在此期间，听从指令并能够爬楼梯的机器人轮椅能够提供很大帮助。
部分四肢瘫痪患者无法使用双手，可利用“抿－吹”技术控制自动化轮椅并操作计算机。使用者向管内吹气，产生气压，就可转换成可被计算机界面理解的指令。这一方法存在诸多缺点，包括反应慢、指令有限并需要频繁清洁吹气管。由于该技术需要膜片控制，因此无法为依赖呼吸器的人员提供帮助。
在位于美国亚特兰大的佐治亚技术学院，研究人员最近研发了一种舌头驱动系统（ＴＤＳ），为残疾人士带来了新的福音（图１５）。可利用这一舌头操作辅助技术操控电脑或直接控制轮椅。
舌头是通过舌下神经而非脊髓与大脑直接相连，因此通常不会受到脊髓损伤的影响。舌头移动速度快、准确率高且无需费力就能控制。此外，舌头肌肉不容易疲劳。ＴＤＳ有可能会代替胳膊和手的移动。对于具有严重残疾的人员来说，替换这些功能是当务之急。
ＴＤＳ技术具有诸多优点，包括创伤小、无接触、无线且可佩带。该设备是将一个稻粒大小的磁体植入或放置在舌头上。外部传感器检测磁体的移动，并由软件翻译这一动作。这使得大量操作变得可行，包括使用虚拟操纵杆来驱动轮椅或操作计算机。这一新型产品向我们展示了一个有效的人机界面，可极大地改善生活质量。
ＴＤＳ发挥主从机器人的作用，将动作翻译为指令。最终的共生关系是利用一个自动计算机界面控制机器人。虽然这可能听起来像科学幻想，但在２００９年，本田汽车的研究联队与一家隶属于日本政府的国际电气通信先进技术研究所以及岛津公司（以日本为基地的设备制造商）合作，示范了一款可对大脑活动做出响应且无需肢体移动的设备。该设备利用脑电图测量人体大脑中的电活动，并利用近红外线光谱学测量血流量。本田公司称，利用该方法正确分析思维的成功率高达９０％。
在上世纪初，一定程度上由于作家的虚构描写，机器人通常被视为人类的潜在敌人。现今，大多数人明确表明乐于接受常规技术和机器人技术。
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