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1、当时英特尔公司刚刚推出他们的8080微处理器,雅达利公司正在销售一款流行电子游戏“乒乓”。而在国产计算机俱乐部里,爱好者急切地努力探索这种新技术带来的好处究竟是什么。但当时我脑海中所萦绕的则是更具前瞻性的问题:机器人产业即将作为一项新兴的产业而崛起,其当时的发展同30年前计算机的发展如出一辙。想想看,目前汽车组装线上使用的制造型机器人已替代了昔日的主计算机。这个产业其他的典型产品包括可进行外科手术的机器手,在伊拉克和阿富汗用于路边及地面排雷的侦察机器人,以及可以进行地板吸尘的家用机器人。电子产品公司还推出了可模仿人类、或是狗、恐龙等的机器人玩具,而玩具收藏者们正迫不及待地想要猎取一套乐高公司生

2、产的最新机器人系列玩具。与此同时,世界尖端科技人员正试图解决机器人技术中最棘手的难题,诸如视觉识别、远程操控、以及学习型机器等问题,而且他们正在不断获得成功。在2004年美国国防部进步科技项目大挑战赛上（DARPA）,产生了第一辆能够在美国加利福尼亚西南的莫哈韦沙漠142英里的崎岖赛道上自主操控行驶的机器人车,尽管获胜者制造的车辆在只行驶了7.4英里后就坏掉了。但到了2005年,有五辆车都走完了全程,而获胜者的车辆行驶平均速度达到了每小时19.1英里。（在另外一个耐人寻味之间并联机器人和计算机产业中, DARPA还资助工作,从而使创建阿帕internet的前身） 。另外,机器人技术如今面临的挑

3、战和三十年前我们处理的计算问题有些相似。拥有机器人技术的公司目前还有一个可以在不同的设备上运行的标准运算软件。机器人处理器和其他一些硬件设施的标准化水平是有限的,一台机器使用的程序代码几乎不太可能在另一台机器上使用。假使有人要设计一个新的机器人,一般来说他就必须完全从头开始。尽管有如此多的难题,但当我和机器人技术领域的人士谈话时-无论是大学的研究人员还是企业家,从业余爱好者到中学生-他们的兴奋与期待总是让我回想起当年保罗艾伦和我看着新科技的融合并憧憬着计算机摆在千家万户的桌面上的那一天的兴奋劲头。如今,当我看到新的技术正在相互结合的趋势时,我便能预见到未来机器人设备将会成为我们日常生活中无处不

4、在的一部分。我相信,诸如分布式计算、声音和视觉识别、以及无线宽带连接等等技术将为自动控制设备的升级换代打开一扇门,让计算机在实际世界中为我们服务。我们也许现在就站在一个新时代的门槛上,个人计算机将从桌面上走下来,让我们到我们的身体去不了的地方去观看和倾听、去触摸和操控各种物体。从科幻小说到现实Robot（机器人）一词是1912年由捷克剧作家卡雷尔恰佩克首先提出的,但是人类幻想制造出机器人则已有几千年了。在希腊和罗马神话里,金属制造之神就用金子制造出了机器仆人。在公元一世纪,亚历山大的荷龙-据称是发明第一台蒸汽机的伟大的工程师-就曾设计了令人着迷的自动机,据说其中包括一个能说话的机器人。而列奥纳

5、多达芬奇在1495年画了一个机器骑士的素描,他能坐起来,并会活动胳膊和腿,它被认为是第一个具有人的特点的机器人计划。在上个世纪,神人同形的机器人经由一些书籍的传播,如艾萨克阿西莫夫的我,机器人,电影星球大战和电视片星际旅行记等,而成为流行文化的热门形象。小说中机器人的流行意味着人们愿意相信总有一天这些机器会成为我们的助手、甚至是伙伴。然而,尽管机器人在工业中扮演着重要的角色,例如,在诸如汽车制造等行业中-大约每10个工人就拥有一个机器人-但事实上,要将科幻小说中描绘的机器人变成现实,我们还有很长的路要走。造成这个差距的一个原因就是,要让计算机和机器人感知它们周围的环境并做出迅速和准确的反应远不

6、象我们想像的那么简单。使机器人具备我们人类想当然的简单能力也被证明是极其困难的-例如,在一个房间里避让物件的能力,对声音做出反应并对言语作出解读的能力,抓取不同大小、质地、易碎程度的物品的能力等等,甚至是区分一扇开着的门和窗户这样一类简单的动作对一个机器人来说都有可能是非常困难的。尽管如此,研究人员已开始寻找解决的方法。能够帮助他们的一个途径就是实现不断进步的大型计算能力。一个兆赫的处理能力在1970年需要花费7,000美元,而现在无需花多少钱就可以买到。兆位存储器的价位也同样在下跌。廉价的计算能力使得科学家们能攻克很多将机器人实用化的基本技术难题。今天,声音识别程序能轻松地识别单词,但是更大

7、的挑战在于建造一个能理解这些单词在上下文语境中含义的机器。随着计算能力的进一步扩大提升,机器人设计者们将会具备解决更大难题的处理能力。机器人开发的另一个障碍就是硬件的价钱太过昂贵。例如,使机器人判断距离的传感器以及用一定的力道和准确度操控物品的电动机和随动系统都价格不菲。但是这些部件的价格下跌得很快。在机器人技术中用来精确测量距离的激光测距仪几年前还需花费10美元,而今天只需2美元就可以买到了。而且,基于超宽带雷达技术的更为精确的新型传感器价格也比以前要低多了。如今机器人制造者们还可以以合理的花费给机器人安装全球定位系统芯片、摄像机、数组传声器（能比传统的传声器在背景杂音中更好地分辨声音）,以

8、及一组附加传感器,由此而制造出能力更强、处理能力和储存能力更大的现代机器人,他们可以从事房间吸尘、帮助排除路边炸弹-这是仅仅几年前为商务用途生产的机器所不可能完成的任务。基本做法2004年2月，我前往美国卡内基一梅隆大学、麻省理工学院、哈佛大学、康奈尔大学以及伊利诺伊大学等众多名牌大学发表演讲，讨论电脑在解决当今社会某些最紧迫的问题时发挥的重要作用。目的是帮助学生们认识到计算机科学的重要性，希望借此鼓励他们中的一部分人投身技术研究。每到一所大学，发表演讲以后，我都有幸直接看到学校计算机系一些有意思的研究项目。几乎每所大学向我介绍的研究课题中，至少有一个与机器人有关。当时，微软的同事们从一些学术

9、界和机器人公司的研究者那里了解到，他们想知道我们公司是否会涉足机器人行业，希望微软能对他们的开发给予技术上的支持。由于尚未涉足这个领域，我们决定先委派战略智囊团的一员在微软工作了年的坦迪特罗尔进行广泛的实地调查，并与机器人行业内的人士进行交流。调查结果表明，人们普遍看好机器人技术的发展前景，而且整个行业都希望能够开发出新的工具，使他们的研究工作更加简单化。坦迪在调查报告中指出：“越来越多的人认为机器人行业正在向的体系架构过渡，并处于技术转折点上。卡内基梅隆大学参加无人驾驶汽车挑战赛的领队雷德惠塔克不久前提出，现在硬件的性能已经基本达到要求，关键问题是要开发出合适的软件。回想个人电脑发展的初期，

10、那时我们意识到，还需要一个要素才能够将整个行业的初创工作推向关键阶段，并且把所有能够产业化的研究成果整合成一个行业。事实证明，我们需要的正是微软的语言。上世纪年代，我们开发了程序设计语言，这套语言为计算机行业建立起统一的平台，针对某套具体硬件开发的程序也可以在另一组硬件上运行了。语言让电脑程序设计工作更加容易，吸引了越来越多的人投身计算机行业。虽然为个人电脑的发展做出过实质性贡献的人数不胜数，但对于使革命最终成为可能的软硬件革新而言，微软的语言是关键的催化剂之一。唐迪的报告让我清楚地认识到，现在的机器人行业正在经历年前行业同样的情形，也必须找出行业中的关键要素。因此，我要求坦迪带领一个团队，与

11、机器人行业的专家合作开发出一套编程工具，让任何一个对机器人感兴趣，哪怕只懂得最基本的计算机编程知识的人，也能轻易地编写出可在不同硬件上运行的机器人应用程序。我们想了解，能否为机器人开发者提供一套把各种软硬件整合到机器人设计中的通用基础工具，就像当年微软语言为电脑编程者所做的一样。幸运的是，微软公司首席研究与战略总监克雷格.蒙迪负责的一个研究小组已经开发出一系列先进科技，可供唐迪的机器人开发小组所用。其中一项技术将对解决机器人设计中最困难的一个问题有所帮助：如何同时处理多个传感器发来的全部数据，然后向机器人的各个驱动装置发送正确的指令，也就是我们所说的并发问题。常用的解决方法是编写一个传统的单线

12、程串行处理程序，通过一组长的循环指令，首先从各传感器读取全部数据并加以处理，最终将决定机器人行动的计算结果输出，然后整个循环又重新开始。这种模式的缺点显而易见：假如你的机器人刚刚收到传感器发来的最新数据，提醒它已经走到楼梯的边缘，而程序还在计算机器人的行进路线，并根据之前从传感器收到的数据命令机器人加速前进，这时候机器人很可能还没来得及处理刚收到的危险信号，就已经从楼梯摔下去了。“并发”问题同时也困扰着除机器人以外的其他行业，现在，用于分布式计算机网络的应用程序越来越多，程序设计人员正在努力寻找一种有效的方法，来协调同时在多台服务器上运行的代码。此外，为了增强性能，集成电路将两个或两个以上的处

13、理器连接在一起，目前单处理器电脑已被装有多个处理器及多核处理器的电脑所代替，软件开发人员将需要一种新的方法来编写桌面应用程序和操作系统。为了让并行处理的能力更好地发挥出来，新的软件必须解决并发问题。解决并发问题的方案之一是编写多线程程序，这类程序可以让数据沿着多条路径同时进行处理。不过，任何一位编写过多线程代码的程序开发人员都会告诉你，这是程序设计中最困难的任务之一。对于这个问题，克雷格小组开发了“并发处理与协调运行”（）。是一个函数库，其中每个函数都是一组执行某项专门任务的软件代码。有了，程序设计人员在编写多线程应用程序，用于协调一系列同时进行的动作时就更方便了。实现了协助程序设计人员充分利

14、用多核及多处理器系统的能力，也成为机器人技术的理想工具。比如说，有时候会出现这样的状况：机器人软件忙于向轮子发送输出命令，无暇处理传感器发来的输入信息，结果导致机器人一头撞在墙上。如果机器人设计师借助函数库编写程序，就能在很大程度上避免这样顾此失彼的事故。除了解决并发问题以外，克雷格小组通过“分布式软件服务”（）技术简化了分布式机器人应用程序的编写。这种分布式软件服务（）能够为开发者在编写应用程序时提供各项服务，例如读写传感器信息或控制电机等部件的编程，程序能够对各个独立运行的过程进行协调，这种方法类似于把来自不同服务器的文本、图片和信息等整合在一个网页上面。分布式软件服务让软件的各个组成部分

15、能够彼此独立运行，万一机器人的某个组成部分出了问题，可以将这一部分关闭并重启，甚至将它替换掉，而不用将整个机器人重启。把这种服务软件与宽带无线技术相结合，就能很方便地通过网络浏览器对机器人进行远程监控和调节了。更重要的是，这种分布式软件服务（）的应用程序不一定要完全安装在机器人上，它可以分布于多台电脑中。这样，就可以利用现在家用电脑上相对便宜的高性能硬件设备来完成机器人运行中复杂的处理任务，从而降低成本。我相信这种技术的发展将为新一代机器人的诞生铺平道路，这种机器人实质上就是台式电脑的可移动无线外设，利用强大的处理功能处理视觉识别、导航等任务。同时，又因为这些设备可以通过网络相互连接，将来也许

16、会出现成群结队的机器人协同工作，完成海底地形图的绘制或种植农作物等任务。这些技术是唐迪小组开发的新软件微软机器人工作室的关键部分。这个软件里还包括其他的工具，能够让我们更方便地通过多种编程语言编写应用程序。例如，在正式使用应用程序以前，机器人设计者可以运用模拟工具，在三维虚拟环境中测试他们编写的程序。我们发布这个软件的目的是打造一个廉价的开放平台，让机器人开发者更方便地把硬件和软件整合到机器人的设计中。我们应该称呼他们为机器人?机器人将何时成为我们日常生活的一部分？据国际机器人联盟统计，年全球个人机器人约万台，到年，还将增加万台机器人。韩国信息通信部预计，到年，韩国每家都将拥有一台机器人。而日

17、本机器人协会预测，相比于现在的亿美元，到年，全球机器人产业将达到每年亿美元的规模。正如世纪年代的行业，我们不可能准确地预测出究竟在哪个方向的应用将推动这个新兴行业的发展。不过，看起来机器人很可能在护理及陪伴老年人方面扮演重要的角色。另外，机器人还能够帮助残疾人行走，加强士兵、建筑工人和医护人员的体力与耐力等。机器人将能够对危险的工业设备进行维修、处理各种危险物品、远程监控输油管道，以及对数千里之外的病人进行治疗，而在保安系统及搜救行动中，机器人更是占据非常重要的地位。虽然未来也会有一些看起来酷似星球大战中的人形机器人，但绝大多数机器人的外型将与星球大战中的人形机器人完全不同。实际上，随着可移动

18、外设的日益普及，要确切地说什么是机器人就越来越困难。因为这些机器人将高度专业化并且非常普遍，但看起来却与科幻作品中那些两足仿人机器相距甚远，甚至我们可能不再叫它们机器人。不过，随着这些设备的价格达到普通消费者能够承受的水平，它们将有可能对人类的工作、交流、学习及娱乐等产生深远的影响，就如同过去年间个人电脑给我们带来的一样。第五章 计算机技术触摸式计算机技术：多点触控式显示屏如何改变人机之间和人与人之间的交流方式苹果公司与怀尔德界面在不使用鼠标和键盘时将会进一步合作加强人机交互。去年，苹果公司的iPhone手机风靡大街小巷，它面向公众推出了一款所谓的多点触控显示屏。想象一下，在屏幕上可以通过手指

19、在图像边缘把手指分开或者合拢来使图像变大或者变小。在界面上手触感很好获得了除功能以外的青睐。凭直觉操作，操作很敏感。在iphone产品推向市场的时候，全世界实验室的多点触控屏幕已远远超出了用两个手指发出指令的阶段。工程师已经开发出了超级大的屏幕，可以同时放10根手指，甚至放很多人的手。很容易想象出摄影师、绘画设计者和专业建筑师会很欢迎这种多点触控式计算机技术，因为他们一般都是团体活动去操控很多可视化的材料。然而，这项技术已在更加广泛的范围内应用，即使没有受过训练的人，也可以在“头脑风暴”会上大展身手，调整或标注物品和计划。美国高新科技公司纽约大学计算机学家兼顾问。纽约Perceptive Pi

20、xels公司创始人杰夫.韩处于多点触控技术的前沿。走进他们公司的大厅，是一个3*8英寸的大欢迎屏。韩走向电子墙前，用手指一点，墙上就出现了各种各样的图像。可以同时看到多大10个视频，并且视野之内没有工具槽。当韩想要展示其他不同的文件时，他轻点两下，出现了可以被点击的图标和菜单。一些早期的接收器完全是通过系统购买的，包括情报单位先需要从他们情报室快速比较地理协同监督图像。新的主持节目CNN,在候选总统时使用了Perceptive Pixels公司的大屏幕，同时显示了50个州的情况，在报到投票结果时，节目主持人站在屏幕前，只要将手指在地图上滑动，就可以像魔术师一样穿梭于各州（甚至是县）之间。前期，

21、韩希望这项技术可以在商业地图中找到主页例如能源交易和医学成像。多点触控式显示屏初步工作追溯到20世纪80年代早期，根据Bill Buxton，在软件研究中一个很有原则的研究者。但是在2000年前后，韩着手攻克最大的技术难题之一，高清晰指尖触摸感应。这个解决方法需要硬件和软件改革。受抑全内反射技术不但使用了光学原理，而且使用了指纹识别技术。韩，认为自己是一个很有灵感的人，当他有一天透过慢满一玻璃杯的水看的时候意识到了这个原理。他注意到，当透过水观察的时候玻璃杯的外面他的指纹非常清楚。他想象到，一个电子系统可能需要追踪指头在显示屏上的具体位置。因此，开始了他耗时六年的多点触控界面的研究工作。他首先

22、考虑的是建立一个单点触控的分辨率比较高的显示屏，可以感知屏幕上手机压下预定一点的电容，应用于自动柜员机和公用电话亭。然而，追踪手指的随意运动需要在屏幕背面安装许多线路，而这又会限制屏幕的功能性。韩最后设计了一个矩形的丙烯酸薄板看起来像电导波，一个光波的管子。发光二极管，绕边界发送红外光到板内。光流反射到钢板墙内部，像是光流通过光学纤维，没有光可以漏出来。但是当有人在屏幕上移动手指的时候，一些内部反射的光，撞击并发散开来，通过薄板跳跃到相反的方向。照相机屏幕后泄露光感，或者是FTIR提示位置泄露。照相机曾经可以从很多点中追踪这个泄露。韩很快注意到了丙烯酸薄板也可以用于扩散屏，板后面有一个投影仪，

23、连接着计算机，可以发送到板上图像，通过板另一面看也是不同的。这个屏幕可以作为触碰图像时图像的输出和输入。感知手指的具体位置是一个挑战。设计可以用来追踪手指移动并且把它们转化成屏幕上图像可以说明发生了什么的软件程序是很困难的。和韩一起工作的6个软件设计者，不得不先写有高性能图形引擎功能的软件，在一定程度上，当指头拖着物体在屏幕上快速移动的时候，给了屏幕很短的反应时间，不会出现重像现象。然后他们不得不处理指尖在随机方向扫的时候，屏幕上的异常的FIRT光。使用者不是利用键盘就是利用鼠标进行输入，这种思想深深扎根于计算机操作系统的设计理念。按键是很明确的，一个q就是q。鼠标的移动遵循笛卡尔坐标系-x和

24、y定位在一个二维的网格上面。这个方法代表了一般方式的输入，被称为图形化的使用界面，或者是GUI。韩提到，他的多点触控式显示屏在相同的时间生成了10多个像x这样地光标用来协同工作，“传统的GUI界面没有那么多光标同时工作”。由于目前的操作系统（windows,macintosh,linux）,过多的依赖那个由鼠标控制的单一光标，因此韩说：“我们不得不出去系统的许多组成部分，以创立一个全新的多点触控制图系统。”在这项工作中，韩通过使用丙烯酸聚合物做成的很薄的屏幕用微观设计成的屏幕，发现了压力感应可能还没有完成。当使用者用力或者轻轻按压聚合物的任何位置，他会变弯曲，并且指纹区域会变大变小，引起光的散

25、射可能使光线忽明忽暗，照相机就是这样子的。对屏幕上的一个对象用力按压，可以使它固定在相邻对象的后面。韩的Perceptive Pixels团队创立于2006年，将所有的元素聚集在一起，那一年像热情的观众，在TED会议上展示了这个系统。从那以后，系统的指令平稳发展壮大。Perceptive Pixels公开了价格。平面触摸式电脑当韩正在完善他的设备时，别的工程师正在追寻使用不同的方法获得同样的效果。软件巨头微软公司现在推出了一款更小的多点式触控计算机-“平板”，并准备把这种类型的硬件品牌命名为“平板电脑”。创世时间追溯到2001年，那个微软硬件的Stevie Bathiche和微软研究院的And

26、y开始开发一种可识别一定量至于其上的物件交互桌面，这两种创新者期望这种桌面发挥一台电子弹球游戏机、视讯益智游戏或一个图像浏览器的功能。在建立了超过85个原型之后，终于出现了一种用丙烯酸建立的桌面，在屋子里比较低的地方放置一个投影仪。这个设计者向地平线向30英尺的屏幕上发送图像。还有一束红外线LED光照到桌面上，它能从另一边指尖或物体反射回来，让设备识别来自人手指的命令。Windows的Vista系统有这个过程。微软向四个处于休闲、零售和娱乐行业的合作伙伴运送的平板电脑，很有可能使用这个技术。例如，喜达屋酒店集团下属的喜来登连锁酒店，将在旅游团体中安装平面电脑，可以让客人浏览倾听音乐，发送数码照

27、片，定食物和饮料。美国第四大移动服务运营商的零售存储可以通过把它们放在屏幕最上面分辨不同的小的电话模型。电话下面的黑点型骨牌标签将会给系统提示价格、特征和电话的详细特征。另外，微软将出产无线数码相机，当连接到电脑的时候，可以不使用数据线就可以向电脑传输照片内容。第一代平面系统售价5000到10000美元。像许多的电子项目一样，公司希望随着产量的增加价格会下降。微软表示平板电脑在3到4年内可能能达到大多消费者的消费水平。三菱电子公司也在努力技术开发者可能会对处于马萨诸塞州的弗雷明汉的刚刚成立的新公司Circle Twelve生产的触摸和姿势激活的显示屏感兴趣，这个公司是三菱电子研究室成立的子公司

28、。三菱公司开发的这种显示屏已经成型了，并且外部成员可以写软件完成他们设想的应用，一部分显示屏已经在会议研究者和商业消费者的手中。三菱公司的市场部副市场经理说，触摸和姿势激活的目的是支持小范围群体合作。大部分人可以交互使用，这个系统知道是谁使用的。一些坐在椅子上的人被定位到桌子旁边并且位置和电脑下面有关系。当他们中的一个触摸了屏幕，一批嵌入到屏幕中的天线信号通过人的身体和椅子向电脑中的接受者发送很少射频能量，这是一个计划，被称作电容耦合。并且，一些相比比较平坦的芯片可以被用来集成电容。这个被耦合进显示屏位置的信号显示了人触摸的位置。尽管表面看起来是受限制的，这个设计可以追踪是谁输入的，他可以控制

29、谁第一个触碰屏幕。在那种情况下忽略掉其他人的触碰，这是通过指定坐标感知的，知道第一个人完成了它的输入。这个系统也可以追踪谁对图像进行了注释例如蓝图。栢诚公司，总部处在纽约的一个全球性的工程公司，对显示屏和计划进行了实验以期获得更多功能。公司的形象化部门区域经理Timonthy Case说：“在这个大项目推行时期，我们已经开过几千次的会了”。“我们在不同的地方可能有不同的显示屏，并且每个人可以看到相同的内容”。不管是DiamondTouch还是三菱公司系统都在屏幕上使用虚拟键盘，人们可以分辨出来。但是，让爱好者选择这种动态的系统好像不大可能。多点触控式显示屏的优势主要是让更多的人合作在复杂系统上

30、工作。25年前，人们是怎样从使用键盘转移到使用鼠标已经记不清了。很快这种多点式触控界面将会帮助我们从无处不在的鼠标使用中解放出来。韩说，目前面临一个新的使用界面是非常罕见的，我们只是处在这个领域的开端。第7单元：气候与人类史（1）当我从研究生生涯开始就在气候科学领域研究了近40年，它已经不仅仅是一个“领域”。全世界的大学和实验室都分散着学习花粉粒、水上浮游生物的贝壳、海洋生物和盐度的记录、冰盖的流动和很多其他的气候系统的部分，地质记录所显示的证据同时有他们的现在形式和他们过去的表现。半个世纪前，做这项工作的只有数十人，其中大多数来自西欧和美国东部，具有一定的社会地位，是受过高等教育或自学成才的地质学家和地理学家。有时，一些人会组织一个会议将100左右的同事组织到一起商讨不同学科的新发现。（2）今天，这一领域已经发生了很大的变化。世界各地成千上万的研究者探索着气候系统的很多方面，他们使用航空器、船舶、卫星，创新的化学和生物技术，还有高性能计算机。地质学家在陆地上和海洋里大范围的测量。地球化学家追踪物质的运动并且测量气候系统的变化。气象学家使用数值模型来模拟大气的循环及其与海洋的交互。冰河学家分析冰盖如何流动