机器人发展背后的数学

王成功

提到机器人，每一位同学都会想起“变形金刚”.我们在享受“变形金刚”带给我们的快乐童年的同时，有没有意识到机器人的发展背后蕴含的数学原理呢？

早在3000多年前，人类就希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作.

据传在西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，可算是我国最早记载的机器人.春秋后期，著名的木匠鲁班，曾制造过一只木鸟，能在空中飞行且“三日不下”.公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人——自动机.它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌呢.

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世，都是近几十年的事.现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展.可以说美国是现代机器人的诞生地，早在1959年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称“机器人王国”的日本起步至少要早五六年.经过几十年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进.我国在建国初期的“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程.1986年3月开始的国家863高科技发展规划中，已列入研究、开发智能机器人的内容.

美国武器合约商波士顿动力公司曾为美军研制了当时世界最先进的人形机器人“阿特拉斯（古希腊神话中的大力神）”.“阿特拉斯”能像人类一样用双腿直立行走，令人联想起科幻电影中的“终结者”.这款机器人可以在传送带上大步前进，躲开传送带上突然出现的木板，从高处跳下稳稳落地，两腿分开从陷阱两边走过，然后跑上楼梯，单腿站立，被从侧面而来的球重撞而不倒.这款机器人很有可能是用在危险环境下的救援工作，甚至是用在后勤补给和维修保养作业等这些相关的工作上.科学家说人形机器人完全取代士兵的可能性不太大，但是机器人在某些领域可以替代人，或者减轻人所面临的危险性，比如说像排雷作业或者爆炸物的排除等等.

第十一届中国（天津）国际装备制造业博览会也吸引了众多机器人制造商参展，“机械手”“搬运机器人”“视觉机器人”“编程机器人”等世界先进的自动化设备同场竞技，展示了在高科技的推动下，机器人将更好地服务于我们的生活.

机器人（人工智能）的发展和其他科学一样，都是以数学的发展作为基础.先进的数学工具给先进机器人技术的发展注入了强大的动力.或者说，人工智能是数学理论最好的实际应用.目前的机器人主要涉及的数学原理有坐标系、矩阵及其变换、图像处理、各种算法（深度学习算法是目前最为流行的算法，与函数、微积分、概率统计等密切相关）等.如坐标系的运用，这里的坐标系是指世界坐标系和局部坐标系.机器人在行走和活动过程中，世界坐标系一般是固定不动的，只有局部坐标系随着机器人的运动而运动，每一个局部坐标系中都有一个变换矩阵，机器人的每一个活动都是矩阵在作变换.

人工智能正悄无声息地改变着我们的生活，不仅大大提高了我们的生活效率和生活质量，而且节约了我们的生活成本，同时人工智能还能够完成人类所不能完成的工作.当然人工智能的高速发展，也可能会给我们的生活带来一些未知的负面影响，在电影《X战警》《终结者》中我们看到了很多机器人（变异人类）可能会给我们整个人类带来一定的危险，还有可能会打乱人类的原有生活，因为有了方便的仆人也有可能造就更多的懒人，甚至人类的退化，不是吗？