2 用人类发音方式说话

　　WasedaTalker（简称WT）是东京大学设计的新型机器人，从名字可以看出，它会说话。或许你会奇怪，现在很多机器中都装有电子合成语音装置，它们会说话不足为奇。但是拥有先进录音技术的日本科学家，并没有使用合成技术让机器人说话，他们的机器人能在气流的作用下模仿人类说话。

　　现在，WT已发展到了第五代。

　　WT-5的发声原理是，在动力装置的驱动下，振动膜强迫空气从两个一模一样的塑料罐中向上通过人造声道，到达舌头，最后从嘴和鼻孔中穿出。与此同时，WT-5的嘴能随着嘴唇的张开、关闭、变宽和前伸等各种动作进行弯曲，发出5个日文的元音“a/i/u/e/o”，声音的音质处于人类发音和声音合成器的中间水平。该机器人还能唱出“da/di/du/de/do”，让人联想起小学老师在阅读课上朗诵的情景。

　　该机器人的设计者马萨科·洪达，是一位计算机科学家，同时对生物力学也非常感兴趣。他想通过制造能主动说话的机器人，更好地理解人类在说话时大脑所发生的变化，用来帮助那些语言障碍的人，也可以创造出帮助发音训练和语言学习的工具。

　　马萨科·洪达的真正目的还没有实现，但这台机器人已经引起了许多语音研究人员的极大兴趣，他们希望利用马萨科·洪达的技术，制造出会说话的狗或猴子当玩具卖。但WT-5不只是玩具，它代表了建立能够用更加自然的方式与人交流的机器人的一种趋势。

　　虽然机器人喋喋不休时有点令人讨厌，但它可以带来许多其他的应用。洪达认为，这项研究成果可用于生产新型手机，这种手机能储存通话者的声音，并将这些数据传到另一端的声音合成器上，从而减少通话所需的带宽。这项研究还能产生更好的控制人工声带的方法，以方便那些不能说话的人使用人工声带。更重要的是，研究人员可以通过这些研究，去发现人脑是如何控制各种发音器官活动的。虽然科学家已经知道当人们想要表达思想时，中枢神经会接受到信号，但却不清楚，大脑活动的各个步骤，即大脑中不同的电路是如何协调工作产生语言的，而只有用人工方式重建大脑线路和语音装置后，这些奥秘才会最终被人类识破。

　　要了解WT-5如何掌握说话的本领，需要先回顾一下人类的发音过程。

　　首先，我们的肺部将气流向气管上推并通过声带，当声带收紧时，气流引起声带的振动从而发出声音，这是浊辅音“d”“b”“v”如何发声的，而当我们发清辅音“t”“p”“f”或小声说话时，声带会放松，只要将气流从嘴里送出来即可。当然整个发音过程嘴唇和舌头等也在不断改变形状，以发出不同大小的声音。

　　WT-5完全通过一个机械系统来模仿人类语言产生的物理过程，这是以前的研究人员没有涉及的方法，洪达也通过这项研究产生了一套独一无二的理论。

　　1998年，洪达联合一些工程师、医生和声学专家组成一个研究小组，决定合作建立一种机械语音合成器。通过对人类发音器官进行核磁成像扫描，并以扫描出的图像作为参考，研究人员构建了一个会说话的脑袋，脑袋上装有人造声带、舌头、牙齿、嘴唇和鼻孔，这些不同的发音器官都能做出不同程度的活动。舌头是用柔软的合成橡胶做成的，因此柔软性和灵活性最好。将杆子、弹簧和电线与各个发音器官连接起来，通过电动装置和曲柄装置对这些杆子、弹簧和电线进行操控，使发音器官活动起来。研究小组对每一个发音器官进行调整，直到机器人能发出可识别的声音。但这种声音还是非常不自然，原因是机器人的嘴唇变宽并上下移动时，不能同时向前伸展。而且声带是用橡胶板做成的，电动装置能让这些声带拉紧或放松，因此发出的声音也就忽高忽低。

　　这种设计现在还过于简单，不能与人类丰富的发音相比。但是多年来，研究人员一直在通过重新设计更加灵活的上颚、舌头和嘴唇，来改进机器人的发音器官。他们还引进了一种控制声带的新方法，将机器人内装上两台制动装置，更好地控制声带拉紧和放松的过程。这些设计使得该机器人发出的元音更加自然，并且能够将“s”和“m”的发音加入指令系统。2004年，WT已经能够发出日本语音中的全部50个音节了。

　　研究人员还设计了一套声音分析系统，能够让WT模仿人类说出几个单词。机器人通过模仿人们说话，就能不断学习新单词。声音分析系统将人们说的单词分解成不同的声学组合，像停顿、声量和音调特性等，通过分析机器人的发音方式与人类发声的不同，调整对嘴唇、舌头和声带的控制，从而使机器人的发音逐渐与人类的发音方式接近。

　　现在各国科学家在竞相研究能自己学习新单词的机器人，但这恐怕还需要10年的艰苦奋斗，才能达到目标。

3 获得一双灵活的人类之手

　　穿着白色太空服，宇航员正在集中精力用带着手套的手抓紧杆子，并通过轻轻弯曲杆子将其牢牢地固定在一个大型铝制框架上，铝制框架可能会在未来的某一天，支持太阳能板为空间站或月球居住地供电。这个重要的工作要求精确细致的移动和很大的力气，但是宇航员出色地完成了任务。这个“宇航员”并不是人，而是机器人———“太空机器人”。

　　太空机器人是目前地球上手最巧的机器人（图7），它的上半身看起来就是人，有头、身躯、两个多关节的手臂和被精确控制的五个手指的双手。它能够带着高压手套模仿宇航员的操作，未来它还会帮助完成太空飞行任务甚至独自在太空遨游，它还将被送进轨道帮助清理国际空间站，或者帮助人类在火星上建造第一个人类居住地。

　　去年春天，美国宇航局发起了一项人类—机器人技术项目的新计划，目的是开发出能用双手完成有益工作的智能机器人。机器人专家将其称为“自主移动操作”，它是当今最热门的研究领域之一。研究人员计划在20年内，设计出一个具有6岁儿童动手能力的机器人。

　　如果你想修理哈勃望远镜或帮助人类完成日常事物，自主移动操作的能力非常重要，也就是说，机器人能到人类因健康、成本或仅仅懒惰等原因无法去的地方完成一些使命。

　　但是长期以来，科学家对机器人灵活性方面的研究过于集中在航行和行走等方面，这样的结果是，机器人虽然能很好地四处行走，却不能有所作为。现在，由于传感器、制动装置和计算能力等方面的突飞猛进，情况已经得到大大改善。最近研究出的控制系统，能使机器人更准确地感受周围环境、增强制动技能并且更自然地与其他物体进行接触。

　　机器人难以获得灵活操作的技能的原因是，第一，灵活操作要求快速活动和准确反馈，以便机器人的大脑能够准确控制手指的位置和抓住物体的力度。传统的机器人移动很慢，而且每个关节随时被精确控制，适用于流水线作业，但不能满足机器人在现实生活中遭遇种种难以预料的情况下的生活。第二，不同的物体需要不同的抓举。当你端起茶杯、开动汽车和翻读书页时，手指的运动非常不同；而对于机器人来说，很难处理这些不同情况，要么将处理各种物体的情况编程输进机器人，要么机器人自己会根据所见所感，学会调整自己的抓举能力。

　　现在的机器人对周围世界已经敏感得多了。比如，太空机器人的手臂上装有150个传感器，这些传感器不仅能探测到关节的位置，还能感触到身体的力量、压力和紧张程度以及热流和其他变化，然后，主板上的计算机会分析传感器感受到的信号，并向电动装置发送命令。

　　举例说，当机器人的手触摸到一个物体时，它会感觉到这种接触并调整自己的手指，以适应所接触物体的形状。使用这种方法，太空机器人已经掌握了许多惊人的本领，它能用两个镊子夹起一个小螺钉；它能抓住扶手并系紧绳子和链条，像宇航员一样保护太空行走的安全线；它还能用手工工具开关舱门。

　　但是问题并没有真正得到解决。现在，太空机器人仍然需要用遥控器对其进行控制，以命令机器人完成遥控者的意图，并通过机器人获得图像等资料。大多数情况下，遥控器相当于机器人的眼睛和大脑，少数情况下人类只控制机器人手的活动，而让机器人独立完成其他活动。这种机器人对简单或重复性的活动适用，但太空作业中，往返月球的声频耽搁几秒钟，在火星上就已经过去了40多分钟了，遥控器不再适用，而自主行动的机器人才能更好地完成任务。

　　为了让机器人获得自主能力，关键是升级它们的“大脑”。美国宇航局联合4大高校，分别攻克控制太空机器人不同行为的软件，从而教会它使用工具、跟踪空间站的物体，识别现实环境中人们的声音和手势，所有这些都不再需要遥控器的指挥。其中，麻省工学院研究的“迪斯特”机器人（图8）最为成功。

　　迪斯特能够通过玩耍学会操作不同的物体。当研究人员将一个矩形砖和圆柱形罐子依次放在它前面的桌上时，它能够看见，并伸出三个手指的大手捡起砖再放回去，然后到罐子面前，伸出手调整自己，用合适的方式抓住罐子。迪斯特的头上装着摄像头，还有两个1米长的粗臂以及双手。虽然身体的大部分与传统机器人没有什么不同，但关键点在于，迪斯特拥有特别的硬件———拥有学习能力的“婴儿大脑”。

　　在设计的时候，迪斯特能够通过积累现实生活中的经验而不断学习进步。在每一步操作中，它能考虑如何移动自己的手并伸向物体，还会考虑抓的力度是否够大，它不再想“我能抓住这个东西吗”，而是在想“我怎样才能储存所掌握的知识并在今后应用”。

　　迪斯特通常会在看见一个新东西时先感受大小和形状，然后把它与以前操作过的物体进行比较，运用统计学推理，作出新的伸手和抓举的决定。迪斯特能像售货员一样，将各种不同形状的塑料瓶装进纸袋里。另外，迪斯特还能利用归纳总结的方法学习处理新情况，比如，在学会用双手抓住苹果后，迪斯特会想到用同样的方法靠双臂来抓住较大的沙滩球。

　　研究人员的最终目的是让机器人完成6岁儿童能做的任何事，迪斯特已经开始为人类实现这个梦想。现在，机器人还需要向6岁儿童学习的“十大功夫”包括：系鞋带、叠床被、清理桌上的盘子、翻书页、键盘上打字、用筷子、堆积木、给钢笔套笔套、用钥匙开锁、捡起地上的硬币。虽然很简单，这却是科学家未来的研究方向。

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