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丹尼斯.洪(Dennis Hong):讲述他的七种全地形机器人

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    第一个要介绍的机器人叫STriDER(Stride迈大步,Strider迈大步者)。
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    全称是自激式三足动态实验机器人
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    (Self-excited Tripedal Dynamic Experimental Robot)。
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    这种机器人
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    受自然界的启发有三条腿。
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    不过您在自然界中
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    见过三条腿的动物吗?
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    应该没有。
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    那我们为什么要称其为仿生机器人呢?运作原理是什么呢?
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    说之前,先看看当下流行文化。
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    您应该知道赫伯特·乔治·威尔斯(H.G. Wells)的小说《世界大战》,以及由此改编的电影。
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    您现在看到的是一款流行
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    视频游戏。
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    在小说里,威胁地球的外星生物
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    被描述成三足机器人。
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    不过我的机器人,STriDER,不是这样移动的。
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    这是一段真实的动态仿真动画。
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    我要展示的是机器人是如何移动行走的。
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    空中转体180度。
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    其中一条腿,在另两条腿中间荡秋千。
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    这是他的行走方式。不过研究一下
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    我们人类的两足行走,
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    人类不是用肌肉
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    提起一条腿迈出去,像机器人那样。对吧?
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    我们实际上是把一条腿荡出去,然后落地,
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    站稳,然后再荡腿...落地...。
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    使用您的身体内置动力,身体动力
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    就像一个钟摆。
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    我们称之为被动动力运动概念。
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    身体直立情况下,您所做的就是
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    把势能转变
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    为动能。
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    这是一个不断下落的过程。
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    所以,虽然自然界中没有三足动物,
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    实际上我们还是受到了生物的启发
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    把这套原理运用于这种机器人,
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    所以它是仿生机器人。
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    您这里所见的就是我们下一步的目标。
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    我们要让机器人把腿像弹簧一样折叠起来,然后弹射出去,做长距离运动。
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    然后展开腿,就像星球大战一样。
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    落地有,机器人的三条腿吸收落地震动,然后开始步行。
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    这里面黄色的区域,不是死光。
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    这演示的是装有一部摄像机
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    或者其他类型的传感器,
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    因为机器人个高,有1.8米高,
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    可以从灌木丛之类的障碍物上方露出头观察。
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    我们有两种型号的原型机。
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    第一个型号,在后面,那是STriDER I型。
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    前面那个,小一点儿的,是STriDER II型。
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    STriDER I型遇到的问题是
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    机器人太重了。我们装了太多的马达,
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    诸如调整关节之类的东西。
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    所以,我们决定综合成一个机械机构,
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    我们就可以用一部马达,代替所有的马达,
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    我们就可以协调所有的动作。
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    这是用机械解决办法,代替机电一体化。
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    所以现在机器人上部机体就够轻巧了,可以在实验室内走路。
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    这是向成功迈出第一步。
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    还不完美。这个实验机器人摔倒了,
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    所以后面还有我们忙的。
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    第二个要介绍的机器人缩写是IMPASS。
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    它带有驱动辐条系统的智能移动平台(Intelligent Mobility Platform with Actuated Spoke System)。
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    它是一种“轮-腿“混合机器人。
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    无框轮,
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    或者叫辐条轮。
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    每个辐条都可以缩进缩出轮毂。
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    所以它是”轮腿”混合机器人。
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    我们又重新发明了一种轮子。
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    让我演示一下工作原理。
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    这段视频中我们用了一种方法
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    被称为响应式方法。
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    只在利用足部的触觉传感器,
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    这机器人在崎岖不平的地形行走,
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    地面柔软,随着它的下压而改变。
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    仅依靠足部传感器的信息,
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    它成功的跨越了这些地形。
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    不过,它遇到极端地形时,
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    如视频中显示的,一个三倍于
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    机器人高度的障碍物,
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    它会切换到谨慎模式,
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    这里机器人利用激光测距仪,
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    和摄像系统,来找出障碍和测量大小,
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    作出相应的对策,仔细的策划辐条的动作,
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    同时协调好各部分动作,这样显示出
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    令人惊讶的机动性。
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    你可能从来没有见过这样的机器人。
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    这是一部机动性很高的机器人
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    这就是我们开发的,叫做IMPASS的机器人。
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    很酷吧?
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    您开车的时候,
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    转动方向盘,这种方式
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    叫阿克曼转向。
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    前轮像这样转动。
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    对于那些小型轮式机器人,
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    它们一般采用差速转向,
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    也就是左轮和右轮向相反方向转动。
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    对于IMPASS机器人,我们可以采用不同方式的转向运动。
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    如视频中演示的那样,它的左右轮连接在一个轴上,
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    以同样的转速转动。
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    不同的是,我们依靠调解辐条的长度实现转向。
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    辐条长度的变化改变了辐条轮的直径大小,以此实现左右转弯。
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    这些只是一些IMPASS可以做的巧妙动作
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    的事例。
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    这个机器人叫CLIMBeR(攀登者),
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    全称是:钢缆吊肢智能匹配行为机器人(Cable-suspended Limbed Intelligent Matching Behavior Robot.)。
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    我曾和许多NASA喷气推进实验室的科学家们聊过,
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    在喷气推进实验室,最出名的就是火星车。
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    科学家们和地质学家们经常告诉我,
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    真正有趣的科学、
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    富含科学知识的地点就是在悬崖峭壁上。
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    不过目前火星车还探测不了峭壁。
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    受此启发,我们要建造一台
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    攀登峭壁的机器人。
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    那就是CLIMBeR机器人。
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    它有三条腿。可能很难看到,
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    但它顶部有一个绞盘,一条钢缆。
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    它正在测算最好的立足点。
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    一旦测算好,
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    它会实时计算出力的分布。
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    计算出需要施加多大的力,
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    确保不翻下来,不打滑。
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    一旦稳定下来,抬起一条腿,
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    然后利用绞盘,可以向上爬一点点。
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    也可以应用在搜索和救援工作上。
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    五年前,我夏季在NASA喷气推进实验室
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    做教员研究员。
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    他们有个六足机器人,称作LEMUR。
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    基于此我们开发一台机器人,称作MARS(Mars, 火星)
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    多附体机器人系统(Multi-Appendage Robotic System)。它是一种六足机器人。
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    我们开发了自适应步态规划软件。
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    我们放了一个十分有趣的有效载荷。
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    学生们喜欢有趣的机器人。您可以看到
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    机器人在不规则地形上行走。
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    它试图在粗糙地形上行走,
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    沙地上,
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    取决于水分含量或沙粒大小的
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    脚下的泥土下沉模式变化。
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    机器人自适应的调整步态以便成功翻越这类地形。
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    除此之外,它还可以做出一些搞笑的事。
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    我们的实验室有很多参观者。
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    有参观者来的时候,MARS机器人会走到计算机旁边,
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    并输入“你好!我叫MARS。”
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    欢迎来到RoMeLa,
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    弗吉尼亚理工大学的“机器人技术与机械实验室(RoMeLa)。
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    这个机器人是一个变形虫机器人。
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    我们没有时间讲述技术细节,
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    我将展示些实验。
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    这是一些早期的可行性实验。
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    弹性表皮上存有势能,使之移动。
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    利用一个有张力绳子
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    使之前进和后退。它被称为嵌合体(ChIMERA)。
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    我们还和来自宾州大学的科学家
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    和工程师合作,
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    开发出化学驱动版本的
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    变形虫机器人。
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    我们鼓捣一下,
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    然后,就像变魔术,它移动了。就像科幻电影The Blob。
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    这个机器人是最近的项目。它叫RAPHaEL
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    带有弹性韧带的气压机器手臂 (Robotic Air Powered Hand with Elastic Ligaments)。
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    市面上有不少不错的机器手臂。
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    不过动辄就要几万美元太贵了。
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    对于假肢应用可能不太现实,
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    因为太贵了。
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    我们想到一个非常不同的方法去解决这个问题。
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    不使用电动马达,机电执行器,
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    而是用压缩空气作动力。
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    我们开发这些新型驱动器的关节。
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    它是兼容的。你其实可以通过调节气压
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    就很容易地来改变驱动力的大小。
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    它的力气可以压扁一个空可乐罐。
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    也可以握住易碎的物体,如生鸡蛋
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    或如这展示的电灯泡。
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    最棒的是,这个原型机仅花费200美元。
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    这部机器人实际上是一系列蛇形机器人,
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    我们称之为HyDRAS,
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    高自由度铰接式蛇形机器人(Hyper Degrees-of-freedom Robotic Articulated Serpentine)。
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    这是一个可以攀爬的机器人。
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    这是一个HyDRAS型机器臂。
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    它有12个自由度的机器臂。
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    不过最酷的是用户接口。
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    这些电缆是光纤。
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    这名学生,可能是第一次使用,
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    她可以用很多不同的方法操作。
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    例如在伊拉克,在战区,
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    常有路边炸弹。
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    目前,派出的是遥控武装车辆。
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    它需要很多时间和花费
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    来培训控制这复杂武装车辆的操作员。
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    在这种情况下,这个机器手臂很直观。
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    这名学生可能是第一次使用,就能完成复杂的操作任务,
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    拾取物体,操作,
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    就像这样,非常直观。
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    这部机器人,是我们的明星机器人。
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    我们有个DARwIn机器人兴趣小组,
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    智能动力人形机器人(Dynamic Anthropomorphic Robot With Intelligence)。
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    我们对人形机器人,
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    人类行走机器人,非常感兴趣,
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    我们决定造一个小型人形机器人。
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    在2004年,那时
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    这是革命性的东西。
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    更多的是可行性研究,
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    应该选用什么样的马达?
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    可行吗?我们做什么样的控制?
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    这个机器人没有传感器。
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    它是开环控制。
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    如您所知,如果没有控制器
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    稍有扰动就会出问题。
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    (笑声)
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    基于此,翌年,
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    我们做了正确的机械设计,
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    从运动学开始。
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    2005年,DARwIn I型诞生。
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    站立,行走,令人印象深刻。
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    然而,如你所见
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    它是有线的,还有一条脐带。我们还是用的外部电源,
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    以及外部运算。
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    2006年,正是时候可以找乐子了。
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    给他智能。我们给它所需的计算能力,
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    1.5GHz的Pentium M处理器,
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    两个火线(IEEE1394)摄像头,8个陀螺仪,一个加速度计,
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    足部四个力矩传感器,锂电池。
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    DARwIn II是全部自主式的。
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    不用远程遥控。
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    没有外接连线。它查看四周,寻找球,
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    再查看四周,寻找球,试着踢足球,
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    自主式的踢球,实现人工智能。
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    看看它的能耐。这是我们第一次测试,
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    视频:进球了!
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    有个竞赛叫机器人世界杯赛。
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    我不知道你们知不知道机器人世界杯赛。
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    机器人世界杯赛是自主式机器人足球赛事。
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    机器人世界杯赛的目标是,
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    到2050年
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    我们有人类大小的自主式人形机器人
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    与人类的世界杯冠军队进行足球比赛
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    而且要胜利。
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    非常实际的目标。非常有野心的目标,
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    我们认为我们可以做到。
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    去年在中国。
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    我们是美国在人形机器人比赛获得比赛资格的
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    第一个团队。
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    今年在奥地利举行。
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    三对三
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    完全自主的机器人。
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    不错。很好!
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    机器人跟踪,踢球,
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    组队对抗。
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    令人印象深刻。这实际上是
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    裹着竞赛外衣的科研工作。
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    这张照片是漂亮的
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    奖杯(Louis Vuitton Cup路易威登提供的奖杯)。
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    这是颁发给最佳人形机器人的,
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    明年我们希望可以首次把它带回美国,
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    希望我们走运。
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    谢谢。
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    (掌声)
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    DARwIn还有其他的才能。
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    去年假日音乐会上,它实际指挥罗阿诺克
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    交响乐团。
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    这是下一代,DARwIn四型,
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    更小,更快,更有力。
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    它正在展示它的能力。
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    “我是男子汉,我很结实。”
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    我可以做些成龙式的
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    武术动作。
  • 11:24 - 11:26
    (笑声)
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    它走开。这是DARwIn四型,
  • 11:28 - 11:30
    你可以在大厅里看到。
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    我们确信这将是第一个运行
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    在美国的人形机器人。因此,敬请关注。
  • 11:35 - 11:38
    好了,我展示给大家我们有趣的机器人。
  • 11:38 - 11:41
    那么我们成功的秘诀是什么呢?
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    我们从哪里想出这些点子呢?
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    我们如何发展这些点子呢?
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    我们有全自主式车辆
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    可以穿行在城市里。我们赢了DARPA挑战赛的50万
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    美元。
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    我们有世界上第一辆
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    盲人驾驶汽车。
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    我们称之为,盲人驾驶员的挑战,
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    还有许多其他的机器人项目。
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    这些是2007年秋天我们赢得的奖项,
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    从机器人竞赛之类的活动中取得的。
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    实际上我们有5个秘诀。
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    第一,我们从哪里得到的启发,
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    从哪里得到灵感的?
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    这是我个人切身经历的。
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    凌晨三四点钟的时候我上床睡觉,
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    我躺下,闭上眼睛,一些线环
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    和其他形状的东西浮现在脑海中,
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    拼凑起来,它们组成了一些机器。
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    然后我想,“这个很棒。”
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    就在我的床头有一个记事本,
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    日记,带有一个特殊的配有LED灯光的钢笔,
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    因为我不想开灯弄醒我的妻子。
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    我看到这些绘图,涂鸦上我的想法,
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    然后睡觉。
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    每天早上,
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    喝咖啡刷牙之前的第一件事,
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    我打开笔记本。
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    通常是空的,
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    有时候,就是一些胡写乱画上去的,
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    有时候,我都看不懂我的笔迹。
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    凌晨4点写的东西,你说能好到哪里去?
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    我得辨识我的潦草字迹。
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    有时候,我会看到巧妙的点子,
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    我就有了这种瞬间灵感Eureka。(Eureka阿基米德发现浮力后喊道的)
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    我直接跑到书房去,坐在计算机旁边,
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    输入下我的点子,我勾画出来的东西,
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    我有一个点子数据库。
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    当我们需要建议的时候,
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    我就会在我的潜在点子库中找合适的
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    点子,
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    如果匹配我就写一个研究建议,
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    获得研究经费,这就是我们如何开始我们的研究计划。
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    仅仅是一丝灵感,还不够。
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    我们如何发展这些点子呢?
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    在机器人技术与机械实验室(RoMeLa),
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    我们有这个神奇的头脑风暴会议。
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    我们聚在一起讨论问题,
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    社会问题,诸如此类的。
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    讨论之前,我们设定一个规矩。
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    规矩是:
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    不准批评别人的点子。
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    不准指责任何意见。
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    这很重要,因为,很多时候,学生们
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    害怕别人
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    批评他们的点子或主意。
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    一旦你这样做,
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    你就会惊异地发现学生们的创造力。
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    他们有光怪陆离的点子,
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    整个房间里充满了创意能量。
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    这是我们如何发展这些点子的。
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    时间不够了,我再说一点
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    只有点子和拓展是不够的。
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    有一个TED瞬间,
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    我想他是Ken Robinson,对吗?
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    他在TED讲过
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    学校教育扼杀了创造力。
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    实际上,这是有正负两面性的。
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    人们只能做这么多,
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    非凡的点子
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    和有创造力的工程直觉。
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    如果你想超越,
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    超越机器人爱好
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    真正通过枯燥的研究应对机器人学的
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    巨大挑战,
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    我们需要更多的东西。这些东西都是学校教的。
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    蝙蝠侠和坏人战斗,
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    蝙蝠侠有著名的万能腰带、绳钩,
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    还有其他的小玩意儿。
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    对于我们,机器人学家,工程师,科学家,
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    这些工具就是在教室里的课程。
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    数学,微分方程。
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    线性代数,科学,物理,
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    更有,今天讲到的诸如化学,生物学。
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    这些都是我们需要的工具。
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    工具越多,
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    蝙蝠侠才能更有效的对抗坏人,
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    对于我们,工具越多就是解决问题的知识。
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    所以教育至关重要。
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    不仅仅是这些,
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    你还要非常努力工作。
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    我常常告诫我的学生们
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    学会聪明地工作,然后努力工作。
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    这张照片是凌晨三点拍的。
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    如果您凌晨3、4点来我们实验室,
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    您会看到学生们还在那里,
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    不是我要求的,而是他们有兴趣做。
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    这就是最后一个主题。
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    别忘了找乐子。
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    这是我们成功的秘诀,我们工作中充满了乐趣。
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    我认为人有多大乐,地有多大产。
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    这就是我们的工作。
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    就到这里吧。感谢各位听众。
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    (掌声)
Title:
丹尼斯.洪(Dennis Hong):讲述他的七种全地形机器人
Speaker:
Dennis Hong
Description:

在TEDx美国国家航空和航天局NASA会议上,弗吉尼亚理工大学的“机器人技术与机械实验室(RoMeLa)”主任Dennis Hong,介绍了他的团队在RoMeLa所制造的七种获过奖的全地形机器人。它们中有人形的,可以踢球的DARwIn,还有可以攀岩走壁的CLIMBeR。在最后,他还告诉大家他取得如此成绩的五个秘密。其中最重要的一条是:玩得开心(Having Fun)。

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Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
15:57
dahong zhang added a translation

Chinese, Simplified subtitles

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