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发布时间:2020-08-29 00:46:44

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作者:张天蓉

出版社:电子工业出版社

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喷头下的世界:漫谈3D打印

喷头下的世界:漫谈3D打印试读:

推荐序 异军突起的3D打印技术

我在20世纪80年代后期访问美国时见到本书作者张天蓉女士。她那时已经修完理论物理相对论专业的博士学位,做了三年超短激光脉冲方面的博士后之后,却又来到了纽约附近的一个电子工程方面的公司,成为了一名高级工程师。我原来就知道她的数学、物理基础很扎实,这次听说她到公司两个月就改进了计算噪声程序中的多项算法,将公司的软件产品速度加快了几十倍。她公司老板是一个德国人,原来也是大学电机系的一位教授,见张天蓉为他解决了诸多老大难问题,不由得眉开眼笑,不得不对这位中国女博士“刮目相看”。

后来20多年过去了,虽联系不多,但时有消息传来。近几年又听说她转向了科普写作,还出了好几本颇受读者欢迎的科普书,当然,大多是关于物理和数学方面的。不过,昨天她寄来的这本《喷头下的世界:漫谈3D打印》的书稿,却又算是工程方面的了。她的兴趣之广泛令我惊讶,她的敬业精神也令我赞叹。

正当我国的经济建设和工业技术大规模蓬勃发展之际,3D打印技术异军突起,卷潮而来,引起各方人士的关注。它和过去传统的制造技术不一样,不是利用机械加工而成,而是利用由点到线、由线到面、由面到体的增材方式堆积而成。计算机和自动化控制技术的应用,使得3D打印技术尤其适用于制造复杂的零件,更能够确保产品的精度和质量。3D打印的应用领域十分广泛,包括家电、汽车,航空航天、生物医疗等。尤其引人注目的是,3D打印的人造器官,是否真能颠覆现代的医学和生物学,用于器官移植,造福人类呢?此外,3D打印还正在进入千家万户,融入人们的衣食住行日常生活之中。看起来,未来发展前景不可估量。

前两次工业革命都使世界发生了翻天覆地的变化,如今以3D打印为代表的先进高科技,是否会引起第三次工业革命呢?如果是这样,新技术、新材料、新能源将给人类社会带来巨大影响,那么我们应该如何应对这场革命的来临?应该怎样迎接各种技术变革带来的机遇和挑战呢?

因此,科普3D打印的知识可以让人们了解和认识这些新技术,这一点很重要。而这本篇幅不大的小书,便能够让你快速达到这个目的。

科学和教育,为兴邦救国之基础。宣扬科学精神,提高广大民众的科学素质,是我们广大科学技术工作者的责任和义务。不过,读完这本书之后我发现,要把专业的知识和方法写成生动、有趣、富于文采的科普读物,不是人人都能做到的。但我感到张天蓉博士做到了,于是,写上这些话,是为序。中国工程院院士 叶声华

前言 现代科学技术的交汇点

科学技术的历史,就像一条蜿蜒流动于群山之间的长河,时而汇聚,时而分流,纵横曲折,连绵不断。科学与技术之间的关系如此,科学各学科或者技术各领域之间的关系也是如此。近年来,原来已有30年历史的3D打印技术,似乎突然异军突起。究其深层原因之一,就是因为种种现代高科技如今正好走到了历史的交汇点。犹如多股岔流汇聚到一起,便能冲出山岩,形成激流,迅猛异常,向前飞奔。

不久前,美国政府将人工智能、3D打印、机器人等项目作为重振美国制造业的三大支柱,而中国也大力扶持3D打印等企业,要将“中国制造”转型为“中国智造”。英国的The Economist杂志在2012年4月的封面上,以第三次工业革命为标题,介绍了3D打印等数字化生产技术。无论是不是真的会引发工业革命,3D打印及这些汇集到一起的高科技行业,都将引领未来制造业的潮流,成为国际产业之间竞争的焦点,这应该是毋庸置疑的。

那么,3D打印到底是什么?它涉及哪些科学技术?这些科学技术的历史和现状如何?它们能被应用到3D打印技术中吗?是如何应用的?反过来,3D打印技术又将会怎样影响这些技术的发展?3D打印技术对基础科学,比如理论物理研究、生物学基础研究这种听起来风马牛不相及的领域也会有影响吗?此外,3D打印技术前景如何?它又将如何影响我们的日常生活、大众消费、制造工业、文化艺术以及人类社会呢?

本书将和你一起探讨这些问题,带你走进3D打印技术的大门。作者将趣味盎然地向你介绍3D打印、人工智能、机器人研究、生物工程、互联网等高科技发展的来龙去脉,同时你也能简略地了解到支撑在这些热门技术下面的基础科学,诸如物理学、材料学、生物学等的相关进展。没有基础科学研究近年来的辉煌成果,这些制造业数字化、智慧化的梦想,是不可能成为现实的。

希望你读完这本书后,能从中获益。张天蓉2014年10月

1 3D打印的神话

1.1 3D打印之来源

孩子们都喜欢玩搭积木。一层一层地往上搭,转眼间,一栋大楼就拔地而起。如果每块积木的尺寸足够小,除了房屋之外,还可以搭建许多各式各样、形状不一的物体。美国有一种LEGO商店,里面无奇不有,可全都是用微小的方块搭起来的东西:高楼大厦、树木花草、整个城市的模型、高速公路、各种汽车火车飞机轮船,迪斯尼童话故事中的人物造型,自由女神、埃菲尔铁塔、白宫、动物、天使……小朋友们能想出来的几乎任何东西,都可以由积木一层一层地向上发展而搭成!

如今,有了一个给大朋友们玩的类似搭积木的玩具,那就是逐步走进家庭的3D打印机。这玩意儿的工作方式的确有点像在搭积木,是在打印式地搭积木,要不怎么把它叫做打印机呢。技术发展真可谓突飞猛进,大家可能还记得台式计算机和2D打印机是如何走进每个家庭的。目前,2D打印机已经是每个使用计算机的普通家庭都能买得起的必备设备,它给人们带来便利,需要任何文件、图片、照片?没问题,打印出来就行了!

而现在,又有了3D打印机,在不久的将来,当它真正走进每个家庭的时候,它又能帮我们干些什么呢?如图1-1所示,比如,你也许想装修改进你的房子,你需要一个特别的修理部件,或者是需要一把功能强大的锤子。又比如,也许你需要给孩子一个特殊的玩具,甚至你可能想给你的太太一个特殊设计的漂亮珠宝,作为她生日的惊喜。或许你需要一双特别的鞋子,或是一块精美的生日蛋糕。或是你的眼镜突然摔坏了,怎么办呢?到了那时候,这些都不成问题,打印出来就行了!

听起来是不是有点像神话?难道这3D打印机就像是故事中阿拉丁的神灯一样,有求必应,能供给人们需要的一切吗?

令我们十分惊讶的是,以上说的3D打印技术已经不再是神话了,看看图1-1中3D打印机实际打出来的物件的照片,你就会同意笔者的说法。并且,这项热门技术正在快速地走向每个家庭,走到你的办公桌上,其原因当然是与3D打印机价格的降低有关。五六年之前还是极其昂贵(几万美元)的3D打印机,现在降到了不到500美元就能买到。所以,家家都有阿拉丁神灯的日子看来已经不远了!图1-1 3D打印出来的物品

其实,3D打印技术并不是什么新玩意儿,它已经有30年的历史了。

那是在1983年的3月9日,一个春寒料峭的日子。他是一个普通的美国工程师,他为一个毫不起眼的小公司(Ultraviolet Products)工作,他的工作听起来似乎枯燥无味,不见得能引起你的兴趣:那是利用紫外线,使得树脂或塑料薄层固化成型。

他的名字叫Charles Hull,也有人称他为Chunk Hull。他每天在公司里拨弄着各种各样的紫外线灯,看着那些原本是液态的树脂一碰到紫外线就凝固的过程。当他反复运用这个方法,笨拙而颇为费时地做出各种各样小塑料形状部件时,一个想法逐渐在脑海中形成:如果(最好是某种机器)能够让紫外线一层一层地扫在液体塑料,或任何光敏聚合物的表面上,让塑料一层一层地变成固体,这样就能把塑料做成任何想要的形状了。于是,Charles Hull把这个想法申请了一个[1]专利,称之为:立体光刻技术(Stereolithography)。

在美国公司工作的专利最终是属于公司的,但是,Charles Hull的老板没有更多的能力来支持开发这门新技术。于是,Charles Hull辞去了工作,于1986年在加州自己开了一个公司,这便是如今知名的3D打印技术的开山始祖:3D Systems公司。也在同一年,Charles Hull获得了有史以来第一件结合计算机绘图、固态激光与树脂固化技术的3D打印技术的专利证书,从此开启了3D打印技术的大门。到1988年,3D Systems生产了第一台商业化的3D打印机SLA-250,体型非常庞大,用的材料是光学照相用的丙烯酸树脂。

那是一个电子资讯产业快速成长的年代,同样是利用数字光学技术的CD光碟和摄像机(Camcorder)等电子产品很快风靡全球,赢得了亿万消费者的关注。但当时3D Systems的产品却基本上是以汽车产业作为市场目标,Charles Hull从来没有想过有朝一日(近30年之后),他的发明也面临着一个爆发性的发展,得到了广大消费者的青睐。

不仅如此,自从英国《经济学人》杂志封面文章将3D打印誉为将引发“第三次工业革命”的核心技术之后,媒体一片热捧,各国呼声不断。这个技术正合美国政府的心意,在经历了金融危机、制造产业向第三世界大转移之后,美国经济前景仍然模糊不清,抓住新技术,就像溺水者抓住了救生圈一样。3D打印技术来得正是时候,实际上是便宜得正是时候。它为美国制造业的重振展现了一线曙光,因为它可以在“家庭制造”、“社区制造”、“个性化制造”的口号声之下,悄悄地将制造产业重新转回到美国人手中。正如美国前副总统戈尔在其预测全球变化六大驱动力的著作《未来》中所写的:“3D打印能够加快低薪酬国家就业机会的流失,最终使制造业重新回到发达国家”。中国人立即意识到了这点,也赶快奋起直追3D打印、人工智能、机器人这些先进的数字技术,企图将“中国制造”转型为“中国智造”,以保住中国制造业的繁荣。

据说3D打印将引爆多方面的革命:制造方式的革命、材料的革命、生物技术的革命、医学的革命、设计的革命,以至于知识产权的革命。是否真会如此?让我们拭目以待。

1.2 叠积木的技术

其实,应该把它叫做“3D制造机”,“打印”这个词汇太不准确了。众所周知,计算机及互联网的普及,将我们的生活带进了一个广阔的虚拟世界。计算机最擅长的事情就是模拟,广义而言,只要是使用计算机的人,都算是计算机模拟出来的虚拟环境中的“居民”。居民们通过文字、图像、声音、视频等各种媒介,在其中生活、交流、学习、玩耍、游戏,甚至于按照想象的模式来生产、劳动,在一无所有的土地上种植庄稼、建造城市,用各种工具创造出形形色色的产品和艺术品……通过计算机创造的虚拟世界,人们得到心理上的满足感和幸福感。

然而,生活毕竟是现实的,人们脱离不了“吃喝拉撒睡”这些现实世界的元素。到今天为止,计算机所能提供的,仍然是一个屏幕上的二维世界。顶多就是,可以用打印机把屏幕上的二维信息,包括图像和文字,打印出来显示到二维的纸上而已!

从这个角度来看,3D打印机的功能就大大不一样了,我们不得不承认它代表了一个“革命”。起码它为我们提供了一个从计算机的虚拟世界过渡到真实世界的桥梁。它不同于2D打印,2D打印机只不过是把屏幕上看到的东西移到了纸上。3D打印呢?它可是玩真的,打印出来的东西能吃能用,大到能住、能在其中生活的房子;能驾驶上天的飞机;能发射子弹的枪支,小到能够塞进耳朵里的助听器、戴在牙齿上的牙套等。总而言之,那都是一些不仅看得见摸得着,而且在真实生活中能用得上的物品!所以我们说它实际上是用以制造产品的机器,因为它从本质上已经完全不同于“打印”了。

而它似乎又有些类似于“打印”。它将三维的物品,包括形状和材料两方面的信息,分解成一层一层的两维信息。对每一层,采取和2D打印机相同的模式,用计算机来精确控制打印“头”,或“喷嘴”的动作,按照人们的要求而移动,画出人想要画出的图案。然后,也是按照计算机的控制,将打印头提高一定的距离,或者是相应地将打印完成的部分下降一定距离,再来“打印”第二层。如此反复,“打印”出第三层、第四层……直到最高一层,整个物体便大功告成,结束了。

上面叙述的3D打印过程,的确是与孩子们搭积木的过程相类似,如图1-2所示。图1-2 3D打印和搭积木

这种通过逐层叠加增加材料制造物品的搭积木式技术,有一个学名,叫做增材制造。这种方法的发展历史,最早可以追溯到150年前的照片雕塑和地貌成型。

从运用材料的方式来分,制造业中使用四种不同的成型方式。除了常常听到的增材、减材方法之外,还有压缩方法和生长方法。压缩方法使用压力而形成各种形态,既不增材也不减材,属于“等材”;而生长成型的方法利用活性生物组织的自我复制来达到目的,这不是一般的物理过程,它与生物仿生技术有关。所以,这里我们只将增材和减材两大类方法加以比较。传统的加工方法是减材的方法。一个机械零件通常是怎么造出来的?开始时,我们有了材料,比如,一整块塑料、石头或者金属。然后,传统机械加工的办法就是大家经常听到的“车钳刨铣磨”,各种机床,装置了各种切割的刀具,它们的目的就是要将这一大坨材料中多余的部分去掉,形成我们所需要的形状。就像艺术家将一块大理石制成雕像的过程一样,雕刻的过程也就是不断地“减材”成型的过程。

增材制造则反其道而行之,是将材料一层一层地堆积上去而成型的过程。

1859年之前,就在林肯就任美国总统的前一年,一个叫威廉·弗朗索瓦的法国艺术家,在巴黎开发了一种模仿真人而制造雕像的方法,叫做照片雕刻(Photo sculpture)。现在看起来,这种方法非常接近目前3D打印中所使用的各种技术:3D扫描、建立模型、再分层建造。可是想想,我们现在有强大而快速的计算机帮忙进行扫描、建模、处理数据、实施打印等数字计算及机械工作,而在1859年,这件事情应该是很棘手的,不得不令人赞叹当年法国艺术家们的聪明才[2]智。

威廉·弗朗索瓦当时采取的办法是使用一个圆形平台,让真人真物位于平台中心,周围放置24(或者更多)个照相机(每隔15°放一个),这些照相机同时从不同的角度拍摄出许多照片。然后,专家们将这些照片获取的信息数据综合起来,得到表征被拍摄的真人实物的三维立体形状的数据。再将这些数据转换成每一层平面图形的数据,然后一层一层地雕刻,再重叠起来并由熟练的工匠或艺术家进行整体艺术加工,一个活灵活现、颇似真人的三维雕像便完成了,如图1-3所示。图1-3 法国人威廉·弗朗索瓦1859年发明的照片雕刻技术,以及拿破仑的波兰夫人玛丽·瓦莱弗斯卡(de la comtesse Walewska)的雕像

照片刻像技术的做法与3D打印过程十分相似,20世纪80年代被Charles Hull结合激光技术及计算机软件技术而发扬光大,直到近几年火爆起来。这就是为什么有人说3D打印是“上上世纪的思想,上世纪的技术,本世纪的市场”,的确如此。

有趣的是,笔者从理论科学工作者的角度看3D打印这种逐层“增材制造”三维物体的过程,颇像微积分中所用的三重积分求体积的过程:将三维物体分成很多薄层,即分解成很多二维形状,逐层地处理每一个二维的平面图形,将这些图形复制出来(3D打印),或是计算这些形状的面积(微积分),然后再逐层叠加起来,得到整体。至于分层的厚度,可以相等,也可以不相等。用微积分思想来计算物体体积时,是让分层的厚度趋于零而能够得到精确体积。在3D打印技术中,分层越薄,生成物体的精度便能越高。

比较“减材制造”的方法而言,增材制造显然要更为节约材料。需要材料的部分才用,不需要的部分留下的材料粉末还可以下一次再使用,这样就极大地提高了原材料的利用率。传统制造业的优点是便于低成本高效率地大规模生产,但传统采用的减材制造方法,在铸造或者锻造的过程中会产生大量的、无法继续使用的废料。并且,减材制造方法在铸造过程中需要模具,因而它的加工周期长,质量不容易控制,也容易引起安全事故等问题。而3D打印使用计算机控制,质量得以保证,没有大型机械带来的安全问题,适合生产小批量、个性化、形状复杂的产品。

因为增材制造是将材料先变成粉末再进行制造,或者使用液体材料。总而言之,它要经过全体积的逐点扫描才能成型。所以如果我们计算这种方法所消耗的能量的话,那么应该比传统制造工艺花费的能量多得多。另外,也可能有粉尘及使用作为黏合剂而产生的化学有毒物质对人体健康带来的危害之类的问题需要考虑。但总的来说,两种制造方式各有用武之地,两者互补互成,才是将来制造业的最优答案。

1.3 精彩的塑料世界

不像目前家用的普通打印机,吃的是各种颜色的油墨,吐出来的是五彩缤纷的图画。3D打印机是要制造出货真价实的实用物品。可想而知,3D打印机所用的材料及相应的处理材料的工艺,一定是很考究的。并且,材料和工艺过程必定是多种多样,因不同的用途而改变的。当初80年代Charles Hull所使用的液态树脂,不能用来打印需要承受强力的工具,也不可能打印出味道甜美的生日蛋糕。

所以,3D打印技术被形形色色的材料科学及相关的工艺技术研究课题所支撑着。技术类型与材料共同决定了每一种3D打印机的应用范围。

我们的生活中少不了各种各样的材料。考察使用材料制造物品的历史,要让我们的时钟倒转到远古时代。材料有天然的和人工的之分。天然材料包括自然界的石头、泥沙、树木,以及动物的毛皮、骨骼等。从原始人的时代开始,人类祖先的祖先就已经学会了使用各种天然材料:他们用野兽的毛皮、竹片、树叶之类的东西来蒙身蔽体,抵风挡雨,遮盖自己,算是“衣服”、“被子”这类物品的前身。他们也用捶打砸击等办法制作一些简单的木器石器,诸如用具、工具,仍致武器,来与其他动物搏斗,对付周围危险而恶劣的生存环境。

从考古学中关于史前文明时代的划分,对每个时代用材料所起的时代的名字,就能看出材料对人类文明发展的重要性:从石器时代,到陶器时代、青铜时代、铁器时代,再进化演变到现代的多元化材料时代,人类社会的发展与材料的发展密切相关,如图1-4所示。图1-4 史前历史的划分与材料密切相关

除了天然材料之外,用泥土经过高温烧制而成的陶器应该算是第一种人工材料。泥土加水之后便会变软,很方便地捏成各种想要的形状,然后,放在火中烧一段时间后即能干燥成型。泥土加热后成型成为陶器的过程,在地球各处的原始人生活中大概都能体验得到。因此,古代的中国、埃及、罗马、希腊等各个不同地区,在很早就不约而同地有了陶器,陶器最早的历史可追溯到几万年以前,比如,根据目前所记载的,人类使用的最古老的陶制容器,是于2012年发现的中国江西仙人洞文化的陶器罐碎片,据说大约能追溯到公元前20,000年至[3,4]公元前19,000年。

陶器的发明标志着人类文明的重要进程,可以算作是材料史上的第一次革命。因为那是人类第一次用化学的方法,生成了一种新的、过去没有的东西。尽管那时候的原始人完全不懂什么化学不化学,但却在无意识中借助于“火”的力量,完成了这种化学过程。并且,制造陶器用品,比制造石头的用品方便多了。试想,要用石头做出一个碗来,那将是多么困难!因而原始人有不少用木头制造的碗。但木头不如石头坚硬。而陶器的制法比起用石头就容易多了。预先准备好被水软化了的泥土,想捏成什么形状,就捏成什么形状,做碗做盆做人像,都不难。然后,再用高热烧一定的时间,就能变成和石头差不多的硬度。因而,有了制造陶器的技术之后,各种用具、武器都能较快较容易地制造出来,可想而知,那时代人类(或者原始人)的生活品质,肯定由此得到了大大提升。

塑料的发明不亚于陶瓷,是材料学上的又一次大革命,它是人类有意识地使用化学方法而创造出来的新有机材料。别看现在我们对塑料已经司空见惯、不以为然,认为它是最便宜不过,还污染环境、难以处理的讨厌的东西,其实,就在几十年前,上世纪的30、40、50年代,塑料制品还是大家的宠儿,化纤的纺织品则是有钱人才买得起的衣物。

目前应用于3D打印机的最普通材料便是塑料,因此,让我们了解一点塑料的历史。

塑料的老祖宗有一个好听的中文名字:赛璐珞。实际上,赛璐珞是英文“celluloid”的译音,这个英文字的意思是假象牙,因为它是为了替代象牙而造出来的。

在19世纪的英国和美国,台球运动在上流社会非常盛行,那是有钱阶层的人才玩得起的娱乐活动。因为它除了那张台球桌子的制造标准要求较高之外,小小的台球本身也是用昂贵的象牙做成的。但是,非洲的大象不断减少,象牙的来源几乎要断绝,这大大影响了台球制造厂老板们的生财之道,于是,据说他们便发出告示,要用一万美元的奖金来悬赏发明一种能代替象牙做台球的材料。

约翰·海厄特(John Wesley Hyatt,1837—1920)是美国纽约州斯塔克镇出生的一个印刷工人,但他对台球运动很感兴趣,又醉心于技术发明,当然也不可小看当时的一万美元奖金对人的诱惑力。于是,海厄特决定发明一种代替象牙来制作台球的材料。开始时,他在木屑里加上天然树脂虫胶,使木屑结成块后搓成球,干燥后看起来有点像,但用起来却一碰就碎。后来,海厄特想起在印刷过程中用到过一种保护打印机的快干膜,是英国人亚历山大·帕克斯(Alexander Parkes)在1856年发明的液态硝化纤维制成的,海厄特看上了这种材料,想把这种膜凝结起来做成台球。

纤维是大家都熟悉的东西,硝化纤维又是什么呢?说起它的故事来有点像变魔术:如果你把棉花之类的纤维加到浓硝酸中,再滴上几滴浓硫酸作催化剂,干燥后就成了一种炸药。这便是硝化纤维,也被称为火棉或硝基纤维素。大家可能都知道诺贝尔奖的设立者阿尔弗雷德·诺贝尔是研究安全炸药起家的,他研究的那种叫做硝酸甘油,也是用的硝酸,不过是与甘油混合,算是刚才所说的火棉的兄弟。

脾气不好的火棉却受到了英国人帕克斯的青睐。他用含氮量较低的火棉(硝化纤维)第一个发明了塑料,但可惜他不懂商道而未能修成正果。之后,帕克斯的公司破产了,美国人海厄特收购了帕克斯的塑料专利,继续用硝化纤维来进行各种实验,企图找到能够替代象牙做台球的材料。功夫不负有心人,1869年的一天,海厄特将帕克斯的在硝化纤维中加进樟脑的技术加以改进,得到了一种柔韧性相当好的又硬又不脆的材料。这种材料在热压下可成为各种形状的制品,看来的确可以代替象牙做台球。因此,海厄特将它命名为“赛璐珞”。之后,除了做台球之外,海厄特还为赛璐珞找到了许多别的用武之地,比如制造箱子、纽扣、梳子、直尺、乒乓球、电影胶片和眼镜架等。19世纪70年代,海厄特在美国纽瓦克建立了一个生产赛璐珞的工厂,风光一时,并从此开创了塑料工业的先河。

不过,赛璐珞毕竟脾气太火爆,有一定的危险性。而且,它是来自化学处理过的棉花及其他含纤维素的植物材料经过加工而制成,不算是现在被化学家们认可的真正意义上的“塑料”。

人类历史上第一种完全人工合成的塑料是在1909年由贝克兰用苯酚和甲醛制造的酚醛树脂,又称贝克兰塑料。塑料的英文名称“plastic”取自希腊语中“成型”一词,中文“塑料”中的“塑”字,也是这个意思。因此,“塑料”就是具有可塑性的材料。[5]

列奥·贝克兰(Leo Baekeland,1863—1944),是美籍比利时化学家和发明家,被誉为“塑料之父”。他来自于比利时的低等阶级,父亲是一名鞋匠,母亲是一个仆人。但是,贝克兰勤奋好学,21岁就获得了博士学位,成为教授,并在照相化学研究中有多项发明。他1889年移居美国,继续从事化学研究。

就像赛璐珞是因为台球的需要而诞生一样,贝克兰的塑料研究则是被在当时刚刚萌芽的电力工业对绝缘材料的巨大需求而激发起来的。当时的绝缘材料主要来自于天然的虫胶。和制造台球使用的象牙一样,天然材料的供给源泉总是有限的。虫胶产自于东南亚,随着电力业的发展,虫胶很快就供不应求价格飞涨。这种市场需求也促进了当时化学工业的发展,化学家们从合成大分子聚合物来寻找出路。

贝克兰1905年转向研究苯酚与甲醛的反应及其产物。其实早在1872年,德国化学家阿道夫·冯·拜尔在研究合成染料时已经发现:苯酚和甲醛反应后生成了一种残留物,实际上那就是酚醛塑料。但拜尔的眼光没有放在这上面,对它视而不见。30多年之后的贝克兰,却从这黏糊糊的东西中发现了巨大的希望和商机,由此发明了酚醛塑料,并于1907年注册了专利。贝克兰是一个特别的人物,他兼具疯狂的科学家和精明的商人的双重特质。后来,贝克兰将酚醛塑料用自己的名字命名为“贝克莱特”(Bakelite),并于1910年创办了日产180千克多种酚醛树脂产品的通用酚醛塑料公司,在新泽西开工厂开始大规模生产。贝克兰生前拥有100多项专利,可谓名利双收,拥有了一个真正的酚醛塑料帝国,如图1-5所示。图1-5 塑料之父和贝克莱特博物馆展览的各种塑料制品

酚醛塑料有很多优点:绝缘、稳定、耐磨、耐腐蚀、变形小等,称为“千用材料”。在汽车、无线电和电力工业中应用范围极广。缺点是易碎、强度差、颜色种类不多等。

再后来,各种塑料新品种如百花争艳、雨后春笋般涌现,为人们展示了一个精彩的塑料世界。

1.4 工艺和技术

自从1983年开发了3D打印的快速成型技术之后,有多种不同的工艺和技术发展起来。所用的技术类型与使用材料共同决定了每一种打印机的性能,每种工艺各有千秋。总结起来,可以将3D打印技术分为两大家族:一类是黏合型,一类是沉积型。黏合型技术使用激光或黏合剂来实现;沉积型则通过喷头,喷射、挤压出材料之后,再放置、沉积而成型。

目前3D打印市场的两大龙头企业是:3D Systems和Stratasys,就是分别代表了这两类不同的材料处理技术,它们分别叫做SLA和FDM。

1986年,查尔斯·胡尔开发出光固化技术(SLA:[1]Stereolithography),之后由此成立了3D Systems公司。1989年,斯科特·克伦普(Scott Crump)开发出熔融沉积成型(FDM:Fused [6]Deposition Modeling)技术,并依此设立了Stratasys公司。

SLA是最早开发的3D打印工艺,也是目前研究最为深入、技术最为成熟、应用最为广泛的一种3D打印技术。

如图1-6左侧所示,将液体状态的光敏树脂放在一个大池子里,用氦-镉激光器或氩离子激光器发出的紫外线入射到液体的表面。最表面一层的光敏树脂在紫外线的照射下立即凝聚成固体。而激光器被计算机中的程序所控制,只逐行逐点地扫描该层中需要成型的部分。因而最后便在表面得到一片固化了的所需要的二维图形。这个过程完成之后,升降机带着已成型的部分自动下降一层的厚度,让新的液态光敏树脂浮上表面,因为树脂的黏度比较大,因而需要一个自动控制的刮板将树脂液面刮平。然后,紫外激光也得到新一层的扫描指令和数据,进行第二层的扫描移动而形成新一层的固体树脂层,并且同时刚好与前面一层的树脂紧紧牢固地结合成一体。之后,升降机再下降,刮板再将树脂液面刮平,激光又再扫描下一层,如此循环重复,直到整个所要求的形状的树脂三维物体经过层层扫描全部固化成型为止。图1-6 SLA和FDM技术原理图

如今的计算机软件控制技术很容易做到“升降机下降,刮板移动,激光扫描”三者间的自动同步,因此,目前的SLA技术能以简单而高效率,并且全自动化的方式制造出精度比较高、形状复杂的三维物品。

SLA技术的缺点是只使用光敏树脂一类的材料,树脂是什么呢?树脂其实就是生产塑料制品的一种原材料。树脂的种类很多,有天然树脂,也有人造树脂。但是,如果限制在对紫外光敏感的树脂的话,那选择性可就不多了。因此,用于SLA技术的材料种类有限并且价格不菲。再则,需要使用激光器这点也使得SLA的工艺过程变得相对复杂一些。此外,液态的树脂有毒,光敏材料需要避光保存,固化后硬度较低、易碎等,这些不足之处使SLA技术的应用受到一定限制。

比较而言,Stratasys公司1989年开发的熔融沉积(或熔丝沉积)技术,因为不限制于利用物质的“光敏”性原理,所以不需要激光器,材料范围也广阔多了,可以是一般受热就能融化的热塑性材料。比如,可以使用蜡、人造橡胶、尼龙、可染色的ABS,医用ABS、polycarbonate(PC),polyphenylsulfone (PPSF)及其他热塑性材料均可。[6]

熔融沉积技术也叫FDM,其工作原理如图1-6右侧所示。热塑性丝状材料由供丝机构送到喷头,材料在喷头内被电阻丝加热器加热熔化。一般将材料加热到只比熔点高1度左右,以保证材料被喷出后能迅速固化成型。喷头在计算机程序的控制下,首先勾画出这一层二维图形的轮廓,然后再做平面扫描移动。在移动的同时将融化了的材料不停地挤出来。材料被挤在上一层材料的表面,迅速固化成型,并与上一层材料紧密结合在一起。每一层的扫描完成之后,工作台下降一层的距离,然后再重复以上的步骤制作新的一层直到整体成型完成为止。

大多数FDM打印机使用各种热塑性塑料,但广而言之,凡是可以从喷头挤压出来的软性物质材料都可以使用FDM 3D打印机。并且,“成型”一词也未必就一定意味着最后的产品要变成坚硬的固体。比如说,用3D打印制造生日蛋糕或巧克力产品就属于这类例子。

许多FDM打印机使用两个喷头,一个喷头喷出用以制造工件需要成型的材料,另一个喷头则喷出支撑材料。需要支撑材料的原因是因为有时候在上面几层的结构比下面层次的结构更大的情形下,容易产生塌缩而破坏成型的过程。被制作的零件如果有悬空的部分时,也需要支撑。一般使用水溶性的物质作为支撑材料,或者可以使用熔点比成型材料更低的物质做支撑材料,这样在后期处理时,可以很方便地利用物理化学的方式将支撑物质清除掉。比如,图1-7描述了3D打印成型后除去水溶性的支撑物的过程。图1-7 3D打印成型后除去水溶性的支撑物的过程

SLA和FDM两种技术基本上都是以树脂塑料类物质作为原材料。要想制造金属物品怎么办呢?需要另外一种叫做选择性激光烧结[7](SLS:Selective Laser Sintering)的快速成型工艺。因为SLS的工艺过程需要利用激光,将材料溶化后进行烧结,所以和SLA一样,是属于黏合型家族的技术。

选择性激光烧结技术是美国得克萨斯大学机械系的博士研究生戴克(C.Deckard)在1989年,和他的指导教授Joe Beaman一起研制成功的。但实际上这个想法,却起源于1981年,当戴克还是一个大学二年级本科生的时候。戴克发明SLS的故事对年轻人颇具启发性,[7]读读挺有意思的。

美国德州盛产石油,当时,戴克得到一个机会,在一个与油井有关的机械制造工厂做暑期工作。该厂生产许多机械部件,诸如离心泵、冲击钻头、各种阀门等。那正是计算机辅助设计软件(CAD)刚开始起步的年代,CAD软件用以描述一个三维模型,计算机从这个模型帮助你设计加工程序。而实际铸件的形体,一般是由熟练的工匠按照二维机械图手工制造出来的。20岁的大学生将这一切看在眼里,记在心上,感觉这是对自己的一个挑战。因为他想:如果能够发明一种方法,直接从计算机的三维模型中,产生出铸件的形状,那该多好呀,一定会受到人们的欢迎。

这个想法一直盘旋在戴克脑海中,接下来的两三年,他都在思考这个问题。

用计算机控制而生成三维的物体不是那么容易的。对减材制造而言,1952年美国麻省理工学院开发的CNC机器实现了计算机控制机械的雏形;20世纪60、70年代,中国的机加工中开始使用俄国人发明的数控线切割机床生产模具,利用切割钨丝与模具之间的放电效应来切割金属,钨丝则在计算系统的指挥下做二维运动。但这样制造出来的形状只能是2.5维的,不是真正的三维形体。戴克立志要在计算机的控制下做出三维形体,而不是那种2.5维的!戴克意识到更方便的办法是要突破原来传统加工中使用的“减材”加工方法,想用减材法来自动生产,刀具的设计太困难了。如果使用“增材”的方法,就没有刀具的问题了,就像构造那种一层一层堆积起来的“沙画”一样,堆起来成为三维形体。因为类似于沙画,所以戴克想象中的制造过程应该是用粉末状的材料。一开始戴克考虑用两种粉末,比如说,一种糖,一种盐,需要成型的部分铺上糖,不需要的部分就铺上盐。经过短暂的思考之后,戴克认识到两种粉末不是一个好办法,还不如用一种粉末,而将需要的部分用某种强大的能量束(热或激光)将粉末溶化粘接起来。

如上所述,到了戴克读完大学本科的那一年,SLS的思想已经基本在他脑中成形了。这时他碰到了在德州奥斯汀大学机械系做助理教授的Joe Beaman。比曼教授看到了这个年轻人想法的前景,以及潜在的巨大市场,决定找经费来帮助他实现这项研究,并同时招戴克为他的硕士生。过了一年多,戴克又继续在比曼的指导下攻读博士学位。研制成功了SLS技术之后,他们又组建了DTM公司。目前,DTM公司已被3D Systems公司收购。

如图1-8左侧所示,SLS工艺是利用粉末状材料成型。粉末供给机上的滚筒将材料粉末均匀铺洒在已成型零件的上表面,并刮平。然后,高强度的CO激光器在粉末层上扫描需要成型的二维图形,使得2图形内部的材料粉末被烧结溶化,并与下面已成型的部分紧密连接在一起。这一层完成后,滚筒再铺上新的一层粉末材料,扫描烧结新一层的截面。如此循环往复直到工件完成。图1-8 SLS和LOM技术原理图

SLS技术可以使用的材料很广泛,可以是金属、塑料或陶瓷。但它的主要优势和潜力是能制造各种高强度的金属物品。此外,SLS的制造时间比较短,也无须设计和构造支撑结构,或使用另一种支撑材料,因为未烧结部分的粉末就构成一种自我支撑。这些未烧结的粉末下一次还可以继续使用。

其缺点是费用较高,一般需要专门的实验室环境,此外,在加工之前,要将粉末预热,3D打印完成之后需要冷却,虽然打印的时间不长,但花费的总时间却很长。

1990年左右,Helisys的Michael Feygin发明了LOM(Laminated Object Manufacturing)3D打印技术。它听起来似乎在原理上最简单,但所用的材料及应用范围也很有限,据说因此已经逐渐走向没落阶段。然而,世事难料,没准什么时候某种有关的新技术又会使它起死回生,因此也在这里介绍下,让大家有所了解。

如图1-8左侧所示,LOM,或称分层实体制造,是将材料预先制成能放置于卷筒上的薄片状,或利用原来就是薄片的材料,诸如纸张或塑料片之类的。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。打印时,用CO2激光器在片材上切割出零件截面的轮廓,经过热压辊热压,使之与下面已成型的工件粘接起来。然后,升降台带着成型部分下降,切割后的剩余部分随转动机构移动到右边的收料卷筒上,同时将新一层的片料移到工作位置,进行新一层的热压粘接和切割,直至得到分层制造的实体零件。

LOM技术的特点是只需要用激光切割二维图形的边缘轮廓,不需要逐行逐点地进行扫描。但因材料只限于纸和塑料,因而应用有限。

1989年,美国麻省理工学院机械系的教授Emanuel Sachs等人研制的三维印刷(3DP),或称高速多彩的快速成型工艺,与SLS技术类似,3DP使用粉末材料。但它不用激光来融化烧结,而是结合现在二维打印机的喷墨技术,因此被认为是最名副其实、最接近2D打印机的“3D打印”技术。不过,在3DP中使用的喷头,喷出的不是油墨,而是某种黏合剂。打印材料则可使用各种粉末,比如陶瓷粉末、塑料粉末、金属粉末等。这种技术的优点在于制作速度快,价格低廉,然而成品的强度比较低。

3DP技术的原理如图1-9所示,基本思想是粉末供给机撒一层粉末,喷头喷出一层黏合剂,其他如升降机、喷头的计算机控制扫描等类似其他技术过程,不再赘述。图1-9 3DP技术

1.5 办公桌上的加工厂

随着计算机及电子技术的发展,产品价格下降,3D打印机已经进入家庭,走上办公桌。

比如,是一个机械设计师,设计了一个形状复杂的新产品。在大规模生产之前,你经常需要制造一个实物模型出来,以检验设计方案是否正确。于是,你订购了一台3D打印机。某一天,有人将它搬到你的办公桌上:它看起来就像一台微波炉,或是一台小型冰箱,但却比微波炉和冰箱神奇得多。它咕噜咕噜转了十几分钟,就把你精心设计的样品打印出来了。一个小小的方盒子,居然做出了过去在工厂的车间里才能做出的事情,就如同把一个小型加工厂,搬到了你的办公桌上!

也许,你突然想起明天是女儿的十岁生日,该送她一个什么新奇的礼物呢?女儿喜欢洋娃娃,还特别喜欢长得像她自己的洋娃娃。“对了,打印一个长得和她一样的娃娃出来!”于是,你将家里办公桌上的3D打印机连上计算机,在计算机中找出了有一次你对女儿用立体三维扫描机扫描后生成的文件,那里面包括了女儿身体的三维信息,就像是一张“三维照片”。然后,你将这个文件输入到3D打印机。你的家用3D打印机是一个彩色打印机,那里面已经有了好几种颜色的ABS塑料材料。一切准备就绪,你单击“开始”按钮,打印机就开始启动了。一小时之后,一个颇似女儿的三维模型制造出来了,穿着花格子连衣裙,做了一个跳芭蕾舞的动作。太可爱了,女儿一定很喜欢。

上面两段叙述,已经不是童话。随着3D打印技术的发展,计算机技术的普及及价格的降低,3D打印机的价格也在不断地下降。比如,3D Systems 公司在1999年推出的“SLA 7000”3D打印机,要价是80万美元!当然,那完全不是一个普通家用的3D打印机。那时计算机的价格也不像现在这样便宜,因此,那时候的一般3D打印机自然还附带着一台价格不菲的计算机及相应的特殊软件。同样是3D Systems公司,在2014年,25年后推出的彩色3D打印机产品Cube,售价才只要1299美元。

目前,最便宜的家用3D打印机(不是彩色)的价格,已经降到400美元以下,是美国中产阶级家庭可以负担得起的价格,甚至有低到200美元左右的。即使你不想自己拥有一台,也可以到网上找到专门进行这种服务的地方,达到同样的目的。毕竟到目前为止,家庭3D打印的用途还不太多,适合家用打印机使用的原材料种类也较少,并且价格昂贵,只能算是一个家庭能拥有的高级玩具。但总而言之,3D打印走向家庭,已经迈出了第一步。

2005年,英国巴斯大学的 Adrian Bowyer,发起了一个称之为“RepRap”的开源3D打印机项目,这个项目的原型机从软件到硬件各种资料都是免费和开源的,都在自由软件协议GNU通用公共许可证GPL之下发布。Adrian Bowyer设想借助于RepRap的自我复制能力,廉价地将RepRap传播给个人和社区,使他们能够创建(或下载来自互联网)复杂的产品,而不需要昂贵的工业设施。2008年,第一版 RepRap发布,代号“Darwin”,能够打印自身50%的元件,它的体积仅一个箱子那么大。

目前的家用3D打印机大多采用FDM熔融层积成型技术,通过对塑料的加热融化制作模型。如果打印真人等,则需要采用激光技术,以金属或光敏材料为原料。好材料价格奇高,每公斤上千美元。

1.6 打印你自己

让我们来想象十几年后的某一天。茹梦是某公司的一名高管,她有一项紧急事务,必须去欧洲出差一星期。临行去飞机场的前一天,茹梦去拜访年迈的母亲,母亲一贯身强体健,但那天突然脚被扭伤了,躺在床上不方便行动,急需请一个护工来照顾她。这让茹梦束手无策,因为要请一个可靠的人帮忙不是那么容易的,需要了解此人的背景、经验、性格、脾气、技能等资料,还需要面试、考核等烦琐的过程,恐怕要花上四五天,才能找到一个你认为合适的人令你放心。并且,母亲并不知道茹梦明天有要事一定得去欧洲,茹梦知道她是希望女儿能留在家里照顾她两天,母女连心嘛,不需要很多言语,有时候只是一个眼神,女儿就知道她需要什么了。“唉,如果我有分身之术就好了。或者,找一个我的替身?” 茹梦想了想:好像分身术还没有被发明出来,但找一个替身的想法却是可行的。要知道,茹梦正好是研究机器人的,而且十几年来一直都在研究智能机器人的课题,她造出来的机器人已经在工业界、矿山上、医院里,实际广泛使用了好些年。近五六年来,茹梦又带领了一个小组,正在研究开发3D打印的机器人。3D打印的机器人有什么好处呢?可以将机器人个性化,比如说,今天,像茹梦母亲这种情形,就可以发挥作用了。当然,茹梦也可以订购一个公司生产的“机器人护工”,就像去年母亲过生日那天她预订的那个小丑一样。但是,从开始预订到产品运到家里,少说也要二三天的时间。于是,茹梦有了一个想法:何不利用这个星期,通知研究小组中的精英人员,为这个产品进行最后一次实验,让我们的3D打印机器人,发挥最好的作用呢?

带着有些激动的心情,茹梦走到办公室,和平常一样,向她的助手和同事们一一问候早安。然后,茹梦给了他们一个令他们瞠目结舌的指令:“今天的任务是请打印出一个我来!”

茹梦交给他们一张纸,那上面有生产出“我”的详细而具体的要求。虽然技术已经可以复制一个和茹梦几乎一模一样的人,但她并不想要那样做。人天生就有嫉妒心,尤其会嫉妒和自己能力及外貌相接近的人。谁愿意造出一个自己来与自己作对呢?造一个替身的目的是让他(她)受你控制、听你指挥、为你服务,可不是叫她来与你竞争,霸占你的财富、荣誉、地位,抢走你的未婚夫的啊!因此,茹梦对这个替身的要求是,只要她能尽心地照料母亲就行了。

下面几段,是摘自茹梦那天的工作日志。“其实,今天我是完全可以自己打印出自己来的。但是,我不想自己做,我希望能借此机会考验一下我们这个精英小组每个人的能力。于是,我告诉他们,不到关键时候,我将一言不发,只在旁边观察,这件事情就拜托他们全部独立完成了。”“程序开始了。首先,我被叶子和苗子带到一个门口贴着‘3D照相馆’的工作室里,叶子开动了我周围的激光器,对我进行全身扫描,以获得我身体的三维立体图像,这不仅仅是三维的几何图像,还有我穿的衣服的材料、颜色等,甚至还包括组成我整个身体的细胞结构等生物学意义上的信息。扫描过程是由机器内部的程序控制的,苗子是一个优秀的程序员,她将我写在纸上的特别要求送进机器,机器中有她预先编好的转换程序,能根据这些要求自动地产生扫描过程中的一个控制程序。这些控制程序很复杂,但其中很关键重要的一部分,是根据不同的要求来分配对身体不同部分扫描所需要的时间和精度。”“比如说,对我扫描的整个过程花了10分钟左右,这其中将近3分钟的时间,是在仔细扫描我的眼睛,又有两分钟左右的时间,花在扫描我的声带及与发声有关部分的结构大小等上面,而对身体的其余部分,则是很快地一带而过。为什么要特别仔细扫描我的眼睛和发出声音的部分呢?这是由我纸上写的要求决定的。因为我希望当母亲和我的“替身”进行交流时,感觉就像是在和我本人交流一样。眼睛是心灵的窗户,相互交流的第一通道;而说话时发出声音的基频和泛音部分,是因每个人不同而完全不同的。我母亲是搞摄影的,她懂音乐,学过绘画,对这两点很敏感。明天,我当然会告诉母亲这不是我,而是被我找来帮忙的,由她指挥的我的‘替身’。但尽管如此,我还是希望母亲看到‘她’的眼神,或者听到‘她’的声音时,感觉无比亲切,就像女儿在身边一样。”“接下来,激光也扫描我的大脑,这是一种智能扫描机,特别是对于大脑来说,它不是简单地扫描和复制,它可以根据所扫描的位置及当时获得的初步信息来判断,这是大脑的哪一部分?这部分对应于何种功能?比如说,当扫描到大脑中的储存记忆部分的时候,我可以挑选需要赋予我的替身的记忆。这一次,我只让她记得三年之内的事情,那已经足够了,知道得太多无用,反而容易惹是生非……”“OK,扫描过程终于完成了,接下来是打印过程,应该没有我的事了,我坐到办公桌旁边打开计算机。从屏幕上,我可以看到整个打印过程。我看到风、花、雪、月几个人正在打印室里忙忙碌碌地准备几十个送料机中的各种材料,其中有塑料、金属、纤维、合成材料,还有各种人体活细胞构成的‘生物墨’,还有所谓的‘智能墨’,是由一些微型的智能机械或集成电路之类的电子器件构成的。整个打印得花费两小时左右,观察这个过程是一件枯燥无趣的事情。因此我将计算机的显示屏幕转换到我的三维扫描结果上……”“……打印完成了,四个研究生春、夏、秋、冬正在按照我写出的产品要求进行测试。我看见一个活灵活现的‘我’出现在屏幕上,一双大眼睛骨碌骨碌转,还有……露出牙齿的憨笑……难道我平时就是这么一副尊容吗?看得我心里直乐,却突然听见我的声音从桌上的喇叭中传了过来:‘该睡午觉了,妈妈!’,‘该吃饭了啊,妈妈!’,‘吃饭前要洗手哦,妈妈!’……腔调颇为有趣,听得我开怀大笑了好一阵子。”

第二天早晨,茹梦手牵着她的替身,如同一对双胞胎一样出现在母亲面前,给了妈妈一个大大的惊喜,差点分不清楚谁是谁了!不过,母亲有了去年过生日时指挥那个“小丑”的经验,对机器人并不陌生,不到20分钟就搞定了这个“替身女儿”,对她颐指气使,不亦乐乎!妈妈说:“这个好,这个好,太像你了!不像去年的小丑,表情丰富但却没有人情味!”

茹梦想,那当然啰,那个小丑机器人是成批产品中的一个,这个可不一样了,这是按照我自身特点打造出来的3D打印机器人啊。

于是,茹梦告别母亲,放心地去机场赶飞机啦。

…………

看完了上面的故事,你瘪瘪嘴说,是一个科幻小说嘛,又不是真的。目前来说,的确是一个幻想,但是,可以不夸张地说,其中的基本思路现在已经成为现实。比如说,目前已经有不少“3D照相馆”,的确能打印出一个一模一样的你!2013年9月,英特尔的第一款3D打印机器人吉米和机器人项目在纽约展示,还同时推出了一套开源的免费硬件和软件,让任何人都有可能设计、编写、打印出一个自己想要的机器人。当然,从此之后,人们也可以3D打印自己。

以上故事中的幻想部分是什么呢?主要在于这个机器人的智力到了何种程度?那也就是刚才我们故事中的主角茹梦研究了十几年的课题:人工智能。在第2章中,我们就来探索一下这个领域,谈谈人工智能的历史、现状和未来。

2 人工智能的幻想

2.1 幻想何时起

人工智能是什么?就是要用人工的方法,产生出智慧来。智慧只是人类才有吗?那也未必见得。并且,智慧也并没有包括“情感”在内,即使是英语的AI(Artificial Intelligence)一词,也应该是这样理解的,只是智慧而已。所以,如此来顾名思义的话,我们就不必用人的大脑所具有的高级智慧来苛求机器人了。至少我们可以乐观地宣称:我们的周围已经有了许多人工智能技术的应用,也包括本书的主题3D打印在内。

虽然如刚才所言,我们可以降低“人工智能”这个专业词汇的标准,并不是非要造出人造大脑。但是,企图用人造的机器来模拟人,模拟人的大脑,这是从古至今人类的梦想。直到现在,研究人工智能的学者们,也仍然是在朝着这个最高理想而默默努力。

造出一个能思考、有灵性的机器人,一直是古代神话及后来的科幻小说的重要元素。古代人没有先进的科学,只会幻想;古代没有现代意义上的科学家,却有许多能工巧匠。在古代埃及、中国、希腊、印度的文化中,都有不少心灵手巧的工匠技师制造出类似真人的神话故事。最古老的“机器人”传说,是古埃及和古希腊的圣像,忠实的信徒们认为工匠为这些神像赋予了思想,使它们具有了智慧和激情。

中国古书《列子·汤问》中生动地描写了一个“偃师造人”的寓[8]言故事,是基于周穆王及偃师的一个古老传说。偃师制造的假伶人巧夺天工、能歌善舞,连周穆王都被迷惑了,以为是真人,便叫他的爱妃盛姬及宫内待御一起来观看伶人的歌舞而取乐。不想表演结束后,那俏伶人“瞬其目而招王之左右侍妾”,意思是说那伶人居然向穆王的嫔妃频频招手,与盛姬和众侍妾眉来眼去,颇有挑逗之意。这使得穆王嫉妒并因之而勃然大怒,要杀伶人和偃师解恨。最后,偃师赶快将那假伶人解剖开来,穆王方知是用皮革、木料、泥土等材料黏合起来的机器人。不过,这机器人“肝、胆、心、肺、脾、肾、肠、胃”样样俱全,打开后是无生命的木头石块,组装在一起之后却像被赋予了灵魂一样,有形有动,令穆王惊叹不止,感慨地说:“人之巧,乃可与造化者同功乎?”如果照故事中描述的状况,机器伶人似乎还具有情感,比之现代的机器人也是“有过之而无不及”了。

犹太文化中有许多关于魔像(Golem)的传说。那是由犹太教的祭司(拉比)用黏土和圣水制造出来的一种玩偶。制成之后,拉比在魔像的舌头下放上一张纸,这张用希伯来文字写着真神名字的纸,将赋予玩偶以灵魂和智慧。玩偶“活”起来之后便能像真人一样工作,甚至可以胜任许多常人干不了的事情。不过,魔像玩偶的智慧只限于白天,因此,拉比必须在日落之前将那张“上帝之纸”从魔像舌头下取出,让魔像晚上处于“死”的状态。传说有一个拉比造出来的魔像异常高大雄伟,可以保护犹太这个受到迫害的民族。但有一天,这个拉比玩忽职守,忘了在日落前将纸片取出,造成魔像由此而失控,做出许多非法之举。最后,拉比受到上帝的惩罚,和魔像同归于尽。

虽然有关人工智能的神话传说源远流长,但企图让这种想象真正成为现实却是和计算机的发展过程分不开的。计算机的思想源于逻辑推理,因而,现代意义上所谓人工智能的设想是植根于认为人类的逻辑思考过程可以机械化这一点。

但是,人类的思考过程真的可以完全被机械化吗?人类的思维和意识到底是什么?要想模仿人脑,首先要理解和明白人脑。人脑是如何工作的?人的智能,或者说更为基本的,人的思维和意识是如何产生的?从物理学的观点来看,人体的任何部分,包括大脑,都是由物质构成的。从生物学的角度看,人体由各种功能的细胞组成,但这些细胞归根结底还是物质,是各类物质元素。可以说,现代科学对各种物质元素的性质可以算是已经了解得比较透彻了,虽然也还有量子力学等理论中的许多未解之谜存在,但总的来说,科学家们对把握各种元素还是颇有信心的。然而,如果谈到这些物质构建而成的大脑如何产生了思维这样的问题,恐怕就难以有人能给出满意的答案了。

既然科学还无法回答人脑的智能是如何产生的这一类问题,也就很难说靠人工是否真能够赋予机器人以人脑水平的智慧了。对此,学术界也有不同的看法,一派认为这是不可能的,另一种观点则认为是可能的。但看法归看法,计算机技术已经发展到了如此复杂而神奇的程度,因此,人工智能的专家们也就沿着计算机先驱们所开拓的企图从逻辑到智能的思路走了下去。

总而言之,人工智能的发展与计算技术的发展紧密相关。如图2-1所示,人类计算的方法也由来已久,从远古时代用打结的绳索来计算,到中国人最先发明的算盘,再到机械计算机、计算尺,一直到今天的超级计算机,用于计算的实体工具和理论思想模型,都走过了漫长的历史。图2-1 人类计算方法由来已久

1623年,德国学者施卡德(Wilhelm Schickard,1592—1635)改良机械时钟,设计出世界上第一个能进行加减乘除的机械计算机,并经由钟声输出答案,因此又称为“算数钟”。然而,据说由施卡德设计的机械计算机刚被工匠制造出来,就被毁于一场大火之中,施卡德也因此而心灰意冷,没有再制造设计此类机器。后来,施卡德英年早逝,死于战乱之中。所以,这第一台机械计算机的原型并没有保留下来,但后人根据施卡德的设计图,制成了仿制品。

差不多同时,与人工智能相关的哲学思想也开始发展。比如,建立了解析几何学的法国哲学家和数学家勒内·笛卡儿(René Descartes,1596—1650)是一个典型的计算思想的理性主义者。他认为人类可以使用数学的方法来进行思考,即任何问题都可以翻译转化为数学问题。然后,数学问题又可以分成若干个简单的部分,每个部分再转化为方程组而被解出来。继笛卡儿之后,17世纪的大数学家,微积分的发明人之一莱布尼兹,比其更进一步,莱布尼兹猜测人类的思想完全可以简化为机械计算,他试图用机械符号处理的观点,来解释人类的思维过程。莱布尼兹不仅这么说,还身体力行地做。他说,与其空想,还不如干脆行动起来,让我们开始计算吧!如何开始呢,莱布尼兹认为,首先需要找到一个通用的语言,可以用来表示任何问题,于是,他发明了二进制;然后,还需要有一种实体的机器,来自动地实现和解决任何问题,于是,他发明了手摇计算机。综上两件与计算技术相关的发明,莱布尼兹不愧为人工智能之先行者之一。

2.2 先驱者的梦想

笛卡儿逝世之前4年,戈特弗里德·威廉·莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)出生于德国的莱比锡。莱布尼兹是历史上少见的通才,被誉为17世纪的亚里士多德。有科学史学者如此评论莱布尼兹:“他集外交官、历史学家、哲学家和数学家于一身,在每一个领域都完成了足够一个普通人干一辈子的事情。”英国物理学家,Mathematica软件的发明人史蒂芬·沃尔夫勒姆说:“莱布尼兹的形象有些令人难以捉摸。他做了很多看似迥然不同且毫不相关的事情,涉及了哲学、数学、神学、法学、物理学、历史学,不一而足。”[9]

当今人工智能科学的蓬勃发展,正在一步一步地接近和实现先驱者们的梦想。这些成果是依靠许多科学家们前仆后继、坚持不懈地努力而达成的。如图2-2所示,笛卡儿、莱布尼兹、布尔等,对此做出了卓越贡献。图2-2 笛卡儿(1596—1650)、莱布尼兹(1646—1716)、布尔(1815—1864)

在西方科学史中,莱布尼兹还是一个少见的不信教的人,有人说他是“什么也不信”的“三个没有”先生。因为在他70年的生涯中,没有结婚,没有当过教授,没有进过教堂,但他珍惜时间,异常勤奋。他一生中的正规职业是律师或外交官,大多数时候需要为多个法庭及执政者提供顾问服务。因而,他经常坐着颠簸的马车,往返于欧洲的各个乡镇城市之间。莱布尼兹出门时,总是随身带着一把可折叠的椅子,方便在车厢移动时也能继续书写。他在旅途中,不停地想着、思考着,心中进行着各种计算,时而将突发的心得和灵感记在小纸片上,就此完成了哲学和数学上的传世之作。

如上所述,莱布尼兹从事多方面的工作,在各个领域中都有不朽的贡献,他在哲学上主张乐观主义,认为世界的一切都遵循着一个计划,上帝按照这个计划将我们的世界建造成了存在一切可能的世界中最好的世界;他因为研究几何的需要而发明了微积分,与牛顿在微积分的发明权上有点争议,最后共享微积分发明人的殊荣;他在代数理论方面也有着杰出的贡献。但是,莱布尼兹从青少年时代起,就有一个贯穿其毕生的宏伟梦想,那就是要找到一个人类思想的真正符号系统及操纵这些符号的恰当的计算工具。莱布尼兹的这个梦想是基于他对人类思维过程的认知,基于他坚定不移地相信:人类的任何思想都可以归结为“逻辑的推理演算”,归结为某种符号系统的简单演绎,纷繁复杂的宇宙也可以还原为一种符号运算。因而最后,宇宙间的一切,包括思想,就有可能被某种机械系统,或计算系统所实现。现在看来,人工智能的研究就正行进在300年前莱布尼兹的这条思路上。

莱布尼兹一直在构想着一种能使知识可计算化的整体结构。首先,他想象某种通用的符号体系,也许是一种文字,类似于每种语言中的字母表,但它的元素不应该是只有声音没有意义的字母,而是一些概念。然后,这些概念可以按照规则进行多样组合,就可能表达所有的知识。这个想法与如今我们所知的计算理论也有着惊人的共同点。

正是因为心中藏着那个符号系统的梦想,莱布尼兹对各种符号情有独钟,苦下功夫加以比较研究。科学史上很少有科学家将符号作为研究中心课题,莱布尼兹算是一个。比如,他发明的微积分符号颇受欢迎,以d表示微分,以∫表示积分,被学界延用至今。

十进制是大家熟知的计算方法,这与人们有十个手指头有关。有一次,莱布尼兹偶然得知有人提出了一种四进制的计数方法,顿时使他受到启发。他联想到自己一直希望建立一种简明的普遍的符号语言,心想:为什么要四进制呢?在最简单的情形下,如果只用0和1两个符号,是否也能进行计算呢?经过一段时间的钻研,莱布尼兹于1679年撰写了题为《二进制算术》的论文,由此发明了二进制。

后来,1697年,莱布尼兹在给他的中国传教士朋友的信中提到二进制。当他从朋友的回信中了解到中国《易经》中的六十四卦图的符号时,兴奋不已,并认真研究,给予高度评价,以至于使得有些人和媒体传言说莱布尼兹是在受到中国《易经》中八卦图的启发下才发明了二进制的,但事实上莱布尼兹是发明了二进制之后才看到《易经》。并且,尽管八卦图可以用二进制来理解,但其包括的信息极其有限,《易经》也完全不是一本数学书,与莱布尼兹对二进制发展做出的杰出贡献根本扯不上关系。

不过,当莱布尼兹看到《易经》八卦图时,的确为这一中国古老的文化标志感到吃惊,意识到这与自己的“通用系统”在思想上异曲同工,或许也由此而对研究二进制获取了更大的动力。实际上,莱布尼兹钟爱二进制,他被自己发明的二进制的简洁运算规则深深震撼,相信二进制具有特殊的含义,可能对揭示数的深层性质是有用的。他曾经说:“二进制乃是具有世界普遍性的、最完美的逻辑语言”、“1与0,一切数字的神奇渊源。”

在德国汉诺威的莱布尼兹文献馆里,陈列着莱布尼兹用二进制进行计算的手稿,如图2-3所示。图2-3 莱布尼兹用二进制进行计算的手稿

1672年到1676年,莱布尼兹作为外交官被派往巴黎。当时的法国是欧洲大陆的霸主,科学界的人物在那里也是群英荟萃。因而,这4年是莱布尼兹极为丰富多产的几年,他在法国学习了许多最先进的思想和方法,结识了很多当时的著名学者,比如之后成为挚友和老师的惠更斯。那些年,26岁的莱布尼兹在时年43岁的惠更斯指导下学习数学,受益匪浅。此外,莱布尼兹还在巴黎参观了法国博物馆,其中展示的帕斯卡的“加法器”尤为引起他的注意。

之后,莱布尼兹将帕斯卡的计算器改进为可以做加减乘除四则运算的手摇计算机,如图2-4所示。1675年,在即将结束巴黎之行的最后几个月中,莱布尼兹为了确定边界为曲线的图形的面积而研究几何中的极限过程,在数学上取得了大的突破,因此与牛顿发明了微积分。图2-4 莱布尼兹和他发明的第一台手摇计算机

莱布尼兹终生未娶,他宣扬乐观主义哲学,但有人却说他实际上是一个疲惫的、不快乐的、悲观的人。他50岁时曾经向一位女士求婚,当对方正在考虑的时候,莱布尼兹自己却改变了主意。

虽然莱布尼兹认为二进制很神奇,但二进制在当时并未得到人们太多关注。因为大家只把它看作是一种数学游戏,不知道它有什么用处。莱布尼兹建造的手摇计算机,也仍然是以十进制为基础。从制造机械计算机的角度来看,以二进制为基础似乎没有什么优越性。一直到了20世纪30年代,电子计算机被发明了之后,由于用二进制中的0和1,可以很方便地对应于电压的高和低,二进制才成为了电子数字计算的基础。

因为莱布尼兹一直怀着从符号到思维的梦想,他将研究手摇计算机,作为实现其梦想的一个实用项目,希望从中归纳出一些普适的“逻辑”来。他希望建立一种普遍的符号语言,把推理过程归结为符号的演算过程,使逻辑数学化。

也许是因为莱布尼兹有关智能的思想太超前,无论是二进制,还是逻辑运算,都到了二三百年之后才被人们广泛关注。1854年,英国数学家乔治·布尔(George Boole,1815—1864)发表了他的跨时代著作《The Laws of Thought》,详细地描述了后来被称为“布尔代数”的逻辑代数系统,将莱布尼兹梦想之一的符号逻辑运算大大向前[10]推进了一步。

布尔的逻辑演算规则后来被广泛用于数字电子电路的设计中。布尔自己40多岁就死于肺炎,并未看到他的理论用于实际的那一天。不过,布尔的几个后代有不凡的成就,五个女儿中最小的一个:艾捷尔·丽莲·伏尼契,是英国作家和音乐家,《牛虻》一书的作者。该书20世纪中期在苏联及中国等共产党国家广受欢迎,还多次被拍成电影。此书的畅销固然与中苏和西方国家意识形态不同有关,但其中所刻画的革命者形象,还是颇为深入人心的。不过,这是与本书主题无关的题外话。

2.3 第一个程序员

3D打印机为什么能准确地按照设计的图形打印出实物呢?因为有计算机程序在控制着它的运动轨迹。计算机程序,相对于实际上物理实现计算过程的集成电路等硬件设备而言,被称为软件。产生软件的过程大概分为两步:第一步,人们将打印头运动所需要的路径信息,分解简化成一步一步的动作;然后,再将每一步动作,变成一组简单可行的逻辑概念。第二步,将逻辑概念变成数学指令,再用计算机能懂得的某种语言记录下来。用专业一点的话来说,第一步是产生“算法”,第二步则由算法而生成具体程序。有了这两步,软件就写好了,存在计算机中备用。到了具体打印的时候,就是执行这个程序的过程,即计算机及时地发出某个时刻所需要的某个指令,从而控制打印头的运动。

打个比喻,编程序就像是一个做菜的过程。首先,被有经验的厨师分解为若干步骤,将“做法”记录下来;然后,为方便起见,将这种做法用各种语言写成菜谱,留存待用。任何想做菜的人,都可以一条一条地照着做。因此,所谓软件程序,就是计算机需要照着办的“菜谱”,为计算机写菜谱的人,就叫做程序员。其实,这个称谓是大家所熟知的,因为我们周围有很多程序员,也许你自己就是一个。但是,如果我问你,谁是历史上的第一位程序员呢?你不见得能回答出来。

历史上的第一位程序员是一位女性,也是一个名人的后代。她叫埃达·洛夫莱斯(Ada Lovelace,1815—1852),是著名英国诗人拜伦之女,如图2-5所示。图2-5 英国诗人拜伦及其女儿埃达·洛夫莱斯(第一位程序员)

诗人的女儿怎么成了程序员呢?这得从数学家巴贝奇的故事说起。

查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage,1791—1871)是英国人,他原来是剑桥大学的一位数学教授,但究其毕生的兴趣和成就,却是在计算机的设计方面。因此,准确地说,巴贝奇更是一个发明家和机械工程师。在2.2节中,我们介绍过帕斯卡和莱布尼兹发明的手摇计算机。按照现在的观点来说,那都不能算是真正的计算机,顶多只能被称为计算器。而巴贝奇设计的机器,是第一个符合图灵完整性的真正的机械计算机装置。因此,有人将帕斯卡誉为“机械计算机发明者”,而将巴贝奇誉为“机械计算机之父”。这些称谓对我们来说无关紧要,[11]了解一下这位机械计算机先驱者的工作,倒是颇有意义的一件事。

作为数学家,巴贝奇的兴趣很广泛。他很关心天文学方面的计算,并由此为倡导建立了天文协会。当时的天文计算经常需要借助对数表,而巴贝奇发现通过人工手算产生的对数表中有很多错误。这种航海天文中对自动生成对数表的需求使巴贝奇逐渐萌生了设计制造出一台自动计算机的想法。于是,巴贝奇设计了第一个差分机,并在1824年“因为将他的发明用于计算数学和天文表”而赢得了金奖。

1822年,巴贝奇从英国政府那里得到了一笔基金并开始制造差分机。

他的第一个差分机如果真的制造出来,会是一个复杂的庞然大物。它将由蒸汽机驱动,使用大约25000个元件,重达15吨,2.4米高。但这台机器从来没有被完成。其原因之一是巴贝奇不会管理,在制造的过程中,他经常改变设计方案。10年之内,花费了政府大量投资(£17000)却一无所获。此外,政府的目的和巴贝奇的目的是不同的,巴贝奇醉心于研究他的机器功能,所以不断改进、不断完善,政府却希望赶快造出机器来自动生成对数表并用于工程实践。第一个差分机尚未完成,巴贝奇又设计出了一台他称之为“分析机”的机器。

再后来(1847—1849年),巴贝奇继续努力,孜孜不倦地工作,又画出了一个称作“差分机2号”的改进版详细图纸,但却因为他三番五次地改变计划而使得政府对他失去了信任。最后,他的差分机2号并没有从英国政府那里获得任何资金,无法被制造出来。

但客观来说,巴贝奇的差分机是第一台可编程序的计算机。在它之前的计算设备,从来不使用预先编好的程序,因而也只会做最简单的运算,临时叫它们算什么,它们就算什么,就像是每个家庭妇女没有菜谱也能做出简单的家常菜一样。是巴贝奇的差分机器,第一次有了“程序”的概念,它将编好的程序打孔记录在穿孔卡片上。穿孔卡片通过一个回路控制一个机械计算器,机械计算器前一次计算的结果可以作为输入而被下一步的计算所使用,这样便能避免在数据抄写输入等过程中产生许多人为错误。此外,差分机在设计中还包括了现代计算机中经常使用的好几个特点,比如顺序控制、分支和循环等。巴贝奇差分机的输出结果精度也达到了31位。

就数学计算原理来说,差分机算是一台多项式计算器,它利用牛顿发明的差分法原理,将乘法变成加减法,从而来计算一个x的多项2式,不过x必须为整数数值。比如,如果想要计算:f(x)=2x-3x+2,当x等于4的时候,最直接的办法当然是使用加减乘除进行计算。但是,如果我们的机器不会做乘除,只会做加减的话,又该怎么办呢?

如图2-6所示,可以给我们一些启发。让我们首先算出这个多项式在x=0、1、2、3时候的数值,如图2-6中第一列所示,计算结果分别等于2、1、4、11。然后,将第一列上下两个数值相减得到第二列的-1、3、7,称之为多项式在x=0、1、2时候的一阶差分。再将第二列的上下两个数值相减得到第三列的4、4,称之为多项式在x=0、1的二阶差分。如此做法,我们会发现一个有趣又有用的规律:一个n次多项式的n阶差分将总是一个常数。利用多项式的这个特点,设想计算机一开始已经(在第一行)存储了上面表格中每一列的第一个数值:2、-1、4,称之为“初始值”。此外,对表中的第三列而言,因为是常数4,所以,知道了第一个数值,就知道了所有的数值。不难发现,我们可以利用对每一列做加法的办法,把表中其余的数值都产生出来。换言之,只要计算机有了第一行的初始值,即x=0时候的数值,就可以用加法产生第二行(x=1)的数值,然后产生第三行(x=2)的数值……推论下去,多项式对任何x的数值,都可以从上到下地用加法计算出来。这便是巴贝奇差分机的工作原理。图2-6 方程式列举

非常遗憾的是,巴贝奇设计的机器,当时一个也没有造出来,都因为缺乏经费半途而废。最后,一万多个还没用到的精密零件被熔解成一堆废铁。1871年,巴贝奇在失望中去世,据说在《泰晤士报》的讣告中还嘲笑了他的失败。

一个半世纪之后,在1989年至1991年,巴贝奇设计的差分机2号,终于被后来的科学家工程师们造了出来。2000年,伦敦科学馆又完成了巴贝奇设计用于差分机的机械打印机。当时,伦敦科学博物馆根据巴贝奇的计划建造了两台差分机2号,一个为博物馆拥有。另外一个属于千万富翁森·梅尔沃德资,于2008年5月10日运到美国加州山景城的计算机历史博物馆展览,如图2-7所示。图2-7 在美国加州山景城计算机历史博物馆展览的差分机2号

正因为巴贝奇的机器是最早需要编写程序的机器,本节开始时说到的拜伦女儿才成为了所谓的第一个程序员。埃达是她的母亲与诗人拜伦所生的唯一合法的孩子。母亲安娜贝拉受过数学训练,因而也坚持雇佣一个私人教师教埃达数学,正好埃达也具有这方面的天赋和兴趣。即使在她结婚生子成为洛夫莱斯伯爵夫人之后,也仍然保有对数学的兴趣。[12]

埃达17岁的时候,在一次宴会上认识了巴贝奇,那是巴贝奇正在试图建造他的分析机的那段时间。埃达立刻迷上了巴贝奇的新机器。1842年左右,埃达花了9个月的时间翻译一个意大利数学家描述分析机的论文。并且应巴贝奇的要求,在文章后面增加了许多自己的注记,详细地说明如何使用这台分析机来计算伯努利数。她的这些注记,被认为是世界上第一个计算机算法程序,因此,埃达也被认为是世界上的第一位程序员。埃达自己形容她所写的这些东西是一种“诗意的科学”,并且,埃达在文章中发挥她“诗意的想象”,为巴贝奇的计算机预言了许多巴贝奇自己也从未想到过的新用途。比如,埃达写道:这个机器未来可以用于排版、编曲或是各种更复杂的用途。这不就是类似于现代计算机在文字处理及多媒体方面的广泛应用吗?

1852年,埃达于36岁时因子宫颈癌动手术时,失血过多而早逝。巧合的是,她的父亲拜伦也同样是在36岁时,死于失血过多。这位美丽的计算机爱好者,从此安静地长眠于她父亲身旁。

1980年12月10日,为了纪念埃达对计算机程序设计的贡献,美国国防部制作了一个新的计算机编程语言,取名为Ada。

2.4 图灵的苹果

当代的计算机技术,真可谓突飞猛进、日新月异。你如果回忆比较一下10年前,甚至是1年前的世界,与今天的世界都已经完全不同。然而,如果我们回顾漫长的历史,从2.3节中我们所提到的19世纪的第一个程序员埃达编写第一个程序开始,到本节要介绍的电子计算机祖师爷图灵设计第一台模型机为止,其间已经相差了整整一百年。

你不一定听过图灵的名字,但只要你用过计算机、平板电脑或智能手机,就与他的计算机思想脱不了干系。因为这一切,都是来自于这位“计算机之父”。

英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing,又译阿兰·图灵,1912—1954),是一位天才人物。他24岁时在论文《论可计算数及在密码上的应用》中,严格描述,并从理论上证明了其可能性的计算机逻辑结构,被称之为“图灵机”的,现代所有电子计算机的鼻祖。

谈到人工智能,那就是让机器具有智能。在第1章结束的时候,我们讲述了一个3D打印出来的“茹梦替身”的机器人。尽管初看一下,替身已经到了十分逼真、以假乱真的地步。但是,茹梦毕竟留了一手,并没有完全克隆自己,替身仍然只是一个被人控制的机器人而已。那么,当茹梦的母亲面对这两个颇似双胞胎的“人物”时,应该如何来判断哪个是机器人,哪个是自己的女儿呢?

这听起来是一个十分简单的问题,你会说:首先,母亲可以随便问几个问题,然后,根据对方的回答,一直追问下去,最后就能判断出来了。的确如此,图灵也是这么想的。1950年10月,图灵发表了[13]一篇题为《计算机器与智能》的论文,设计了著名的图灵试验,通过回答一些问题来测试计算机的智力,从而判定到底是一台机器,还是一个正常思维的真人。如图2-8所示,别小看这个你也想得出来的简单概念,该论文当时引起了人们的极大关注,奠定了人工智能的理论基础。图2-8 图灵测试

比如,茹梦的母亲可以问:“上星期六我们碰到的那个人,你认识吗?”

茹梦和替身的回答是相同的,她们两人都说:“认识啊,他叫林志,去年见过的。”

母亲又问:“林志的女朋友叫李梅梅,是你大学同学啊,记得吗?”

茹梦很高兴地回答:“是吗?当然记得,我们那时经常一起去爬山。”替身却不做声了,因为她找不到这个名字,也难为她了,她的大脑寄存器里只放了三年之内的记忆嘛!不可能有这个大学同学李梅梅。于是,母亲只提了两个问题就把真伪判别出来了。可以想象,如果这个替身越是接近真人,母亲就需要问更多的问题,才能做出判决,这就是图灵测验的思路。

目前,我们碰到的假充大头鬼的智能机器还不多,也不够聪明,比如,电话机里面的自动回话机之类的,我们一听就能明白,对方是人还是机器,一句话都不用问的。

再举一个你经常能碰到那么的实例,当你注册了一个社交网站成为一个用户后,如果你要再次登录,经常会被要求看一个图像,就像在图2-8右侧所示的那种字母或数字被变形歪曲了的图像一样。网站放上这种图像的目的也就类似于一种最简单的图灵测试,看看你到底是机器还是人?从而预防有人编写程序来登录网站干出种种坏事。

除了图灵测试之外,图灵最重要的贡献是创建我们所用的所有计算机的理论模型,被称之为图灵机。什么是图灵机?图灵机不是像2.3节中所说的巴贝奇所构想设计的差分机那种可以真实造出来的机器,而是图灵为了定义“算法”,提出的一个抽象数学模型。算法是什么呢?顾名思义,计算之方法也。那么,计算又是什么呢?这个问题好像三岁小孩就会回答:他会伸出手指头告诉你:“1、2、3、4、5”;“1块糖再加1块糖,等于2块糖”,这就是计算。

不过,数学家总是喜欢将这些我们习以为常以为简单的概念加以严格定义。尤其是,如果你要方便让计算机来执行这些概念的话,最好能定义得清清楚楚。比如说,我们可以这样来定义“计算”:首先,我们把“数”说成是一串符号,然后,计算就是将一串符号按照“一定的规则”变成另一串符号。通常,我们可以将这“一定的规则”,分解成一步一步的、便于执行的、更简单的步骤。这些步骤,便被称为“算法”。

比如,当我们右手伸出三个指头,左手伸出两个指头,教一个四岁孩子做加法时,便也不自觉地暗示了某种算法:第一步,数右手指头1、2、3;第二步,继续数左手指头上的4和5;第三步,得到答案5。

现在,让我们来想象,如何以最简单的方式,教“机器”做两数相加的运算:(A+B=C)。我们需要声明:这里所说的“机器”,并不特指任何一种在现实中存在的物理机械或计算机,而是代表一个假想的、能进行某些最简单操作的“模型”。那么,读者会问:哪些是最简单的操作呢?别着急,其实,这也就是下面我们要解决的问题:如何构造一个假想的加法机器呢?

首先,这个机器要能够识别“数”。比如,我们可以用一连串的符号“*”及“ ”来表示数。比如:“***”表示3、“**”表示2、“*****”表示5等。此外,这个机器还知道,空格“ ”表示一个数的结束。因此,这个机器要能够扫描一个长长的、上面印着“*”或“ ”的纸带,按照上述定义,“*** ** ” 表示两个数:3和2。

定义了“数”的表示方法之后,我们的机器要达到的目的是:如果扫描到符号串“*** ** ”,那么就要将这个符号串变成另一个符号串“***** ”。这样一来,不就实现了(3+2=5)的加法运算吗?

然后,问题是:我们要如何为我们的机器定义算法,才能使得它能把符号串“*** ** ”(A B),变成符号串“***** ”(C=A+B)呢?

不难想象,在执行过程中,上述机器至少应该有下列三种状态:

1.读完数A之前的状态,称之为“初”态;

2.读完了数A,但未读完B时的状态,称之为“中”态;

3.读完了数A、B之后的状态,称之为“末”态。

机器在任何一种状态时,都可能扫描到“*”,或扫描到空格,因而总共有六种不同情况。定义算法的目的,就是要规定好在这六种情况下,机器应该如何动作,干些什么?也就是说,要规定好六种情况的变化规则,确定新状态、新符号及新的扫描头移动方向。最后,扫描过程完成之后,将原来的两个数相加(2+3),得到结果(5)。

图2-9上方的表格给出了每种情形下机器的行为规则(算法),而下方的图则显示了用想象的机器执行加法算法(2+3=5)时的几个关键步骤。图2-9 艾伦·图灵机的加法运算过程

从上面的例子,我们可以总结出图灵机的一般结构应由三部分组成:一条用于记数的、可无限延伸的“带子”;一个可以从带子上读、写,且能左右移动的“头”;一个能按照规则指挥读写头的“控制器”。执行计算之前,“带子”上写上初始数据;计算完成之后,“带子”上写着结果。

不过,以上描述的图灵机,只能执行某种特定的计算,如上例中的加法机器,只会做加法,不会做减法。然而,稍微改进一下模型,将计算所需的变化规则表,也就是“算法”部分,也用“*”和空格编好码,也写到带子上,在输入初始数据之前,先将算法编码输入进去。这样一来,只需要变换算法,就可以做不同的运算,解决任何数学问题了。这种模型,就被称为“普适”图灵机,或通用图灵机。图2-10给出了通用图灵机的示意图。图2-10 通用图灵机

通用图灵机奠定了计算科学的基础,被视为当今数字计算机的原型,更准确地说,并不是机器硬件,而是计算机软件的原型。其意义是:只要按一定步骤对数字进行处理、传输和存储三种操作,通用图灵机原则上能解决任何可计算的数学问题。必须再次强调的是,图灵机并不是真正的机器,而是一种理想模型,通用图灵机可以模拟任何实际的计算机,而由物理实际构成的计算机却是不可能解决所有的数学问题的,因为它有容量、速度、精度,以及硬件各种物理条件等的限制,图灵机则抛开这一切,仅仅抽象出“数”、“算法”这些东西。

图灵在42岁时,因为他的同性恋倾向遭受迫害而自杀身亡。图灵死后,人们在他的桌子上,发现一个被咬了一口的含有氰化物的苹果,颇似现在苹果公司的符号。

2.5 冯·诺依曼的愿望

冯·诺依曼(John von Neumann,1903—1957),出生于匈牙利的美国籍犹太人数学家,是现代计算机创始人之一。他在计算机科学、经济、物理学中的量子力学及几乎所有数学领域都有过重大贡献。

1945年6月,冯·诺依曼与戈德斯坦、勃克斯等人,联名发表的所[14]谓“101页报告”,是现代计算机科学发展里程碑式的文献,成为计算机设计的基本原则。在报告中,明确地规定了用二进制替代十进制运算;提出存储程序原理,把程序本身当作数据来对待;将计算机分成五大组件,按照程序顺序执行等,这些思想为1951年建造的第一台大型电子计算机EDVAC的逻辑结构设计奠定了基础,被称为冯·诺依曼体系结构。半个多世纪以来,计算机制造技术发生了巨大变化,但基本结构却万变不离其宗,即使是目前最先进的计算机,仍然是沿用冯·诺依曼体系结构建造的。因此,人们总是把冯· 诺依曼称为“计算机鼻祖”。

冯·诺依曼最后的作品是一个在医院未完成的手稿,后来以书名《计算机与人脑》发布,表现了他生命最后时光里的兴趣和方向。这个出生于匈牙利的美国科学家,在生命的最后几年(1950年左右),思想仍然甚为活跃,对生命进化中的自我复制现象很感兴趣。他基于对逻辑研究的成果及计算机的工作,提出了一个令人深思的问题:能否设计出一种“能够复制自己的自动机”,如图2-11所示。图2-11 冯·诺依曼的自动机

冯·诺依曼的问题好像远不是那么容易解决的。生命是大自然的杰作,自我复制现象到现在为止,仍然只是属于自然生命的专利。通常我们所见到的机器,只能在人的帮助下,生产出比它更简单的东西。人类是敢于幻想的,并且借助于科学,一个个的幻想都变成了现实。为什么就不能制造自我复制的机器呢?

从逻辑的意义上来说,冯·诺依曼认为一个能够自我复制的机器应该包括这几个部分:一个能阅读、执行指令的“控制器”;一个能构造机器的“手”;加上印有指令蓝图的“带子”及能复印它的“复印机”。如图2-11所示,“控制器”首先读懂指令带(或磁带存储器)上的程序和数据,继而指挥机械手构造“子机器”,这个过程就是说:机械手根据指令,从在重建其自身所需要的所有碎块中找到下一个合适的碎块:一个一个地挑,直到找到合适的那一块为止。当合适的碎块找到之后,两个合适的碎块就按照指令被组合起来,这一过程一直持续,直到机器的自我复制全部完成。然后,“控制器”指挥复印机复印指令蓝图,交与“子机器”,最后判定自我复制完成。而组成自动机的控制器应该相当于一个通用图灵机。

冯·诺依曼虽然研究了自我复制机的理论模型,但他并不是工程师,并未造出真实的机器。正当冯·诺依曼为如何用实物(比如玩具)来构成他的自动机而绞尽脑汁时,曾在普林斯顿高等研究院与其合作过的数学家乌拉姆(Stanislas Ulam)却给了他一个完全不同的建议。当时的乌拉姆自己也正热衷于用他在计算机中构想的“二维细胞空间”来解决晶体成长的问题。因此,乌拉姆的“细胞”构想,结合冯·诺依曼的“自动机”理论,便开创了一个影响触及整个科学界的新领域,这就是对“细胞自动机”的模拟研究。

冯·诺依曼真不愧为大师级的人物,对自我复制机制的构想竟与自然生命这个大自然的杰作不谋而合:1953年,就在他提出自动机理论后不久,两位年轻的科学家沃森和克里克揭示出的DNA双螺旋结构及之后有关基因复制机制的研究,几乎准确地验证了他的天才预言。然而,54岁便英年早逝的冯·诺依曼没来得及完成他用计算机实现“细胞自动机”构想的最后夙愿。这方面的研究成果,是在他死之后,由参与发明世界上第一台电子计算机的勃克斯整理、编辑和出版的。

在冯·诺依曼的研究中,他也意识到计算机和人脑机制的某些类似,但由于过早去世,也未能完全完成这项研究课题,部分成果逝世后由他人整理出版,名为《计算机与人脑》一书。冯·诺依曼有关“自动机”的想法及2.4节中介绍过的另一位计算机大师,英国科学家图灵等的贡献,为人工智能的发展打下了基础。有趣的是,这个天才的思想也可以说是如今危及全球计算机网络的“计算机病毒”的祖师爷!因为大多数计算机病毒正是一种能够在内存中自我复制、迅速繁殖、广泛传播,造成破坏攻击的计算机程序。当然,坏东西有时也能加以利用。比如美军就在1991年的“海湾战争”中,第一次将计算机病毒用于实战,在空袭巴格达的战斗中,成功地破坏了对方的指挥系统,使之瘫痪,保证了战斗的顺利进行,直至最后胜利。不过,计算机病毒并不能算是真正生命意义上的自我复制,因为它的复制过程并不是独立进行的,而是需要借助于主机的帮助。

我们在第1章中提到过的3D打印开源项目RepRap建立时的初衷,也就是要实现冯·诺依曼的愿望。创建者的目标是建造一个纯粹的自我复制设备,而不是设备本身,因为RepRap本来就是“快速复制机”(Replicating Rapid Prototyper)的缩写。创建者企图利用RepRap来证明冯·诺依曼的理论:机器也可以像生物一样的自我复制,甚至在自我复制的过程中改变和进化,它的数量也就将会像生命的繁衍一样,可以按指数形式成倍增加。

如果这种3D打印机具有自我复制的能力,无论用户在这个星球上的任何地方,都可以以一个最小的成本,打印出另外一台立即可以使用的桌上台式制造系统,这将能使用户个人快速制造许多日常生活中使用的物品。也是出于这个理想,RepRap的原型机从软件到硬件各种资料都是免费和开源的,都在自由软件协议GNU通用公共许可证GPL之下发布。

RepRap自我复制的性质有利于它像病毒一般传播,从而降低产品的生产周期,加速从设计到制造的过程,同时也有利于产品发展的多样化。

到目前为止,RepRap项目已经发布了四个版本的3D立体打印机:2007年3月发布的“达尔文”(Darwin),2009年10月发布的“孟德尔”(Mendel),以及在2010年发布的“Prusa Mendel”,和“赫胥黎”(Huxley)。开发者为大多数3D打印机用了著名生物学家的名字来命名,也就是为了要表达他们的愿望:希望这种机器能像生物体一样自我复制,也希望推广该机器的项目能模拟生物的繁衍和进化,如图2-12所示。图2-12 RepRap的第一个版本“达尔文”及RepRap的“父亲”和“儿子”

到2014年为止,RepRap的3D打印机已经能够打印出它的大部分部件,冯·诺伊曼生前可能从来没有想到过,他的自我复制的设想和愿望快要被一种叫做“3D打印机”的机器实现了!

2.6 谁发明了第一台电子数字计算机

在本章的前面几节中,介绍过几位机械计算机的先驱:施卡德、帕斯卡、莱布尼兹等人,后来又介绍了计算机理论的奠基人图灵和冯·诺依曼。不过,我们现在生活中随处可见的计算机,是电子数字计算机,它与17世纪的机械计算机相比,在许多方面还是大相径庭的。而真正实用的电子数字计算机的发明人,既不是图灵,也不是冯·诺依曼,却是一个并不为人知晓的名字:阿塔纳索夫。

历史并不永远是公正的,挖掘过去的故纸堆,经常能演绎出一些新的故事。并且,历史有时还要和人开开玩笑。埋在沙里的金子也不是一定就能有机会展示它的光彩。闪电之父特斯拉就是一个被历史长久埋没了的,成就并不亚于爱迪生的发明天才。而我们这里的主角,远在1939年,就第一个发明了电子数字计算机,却直到1973年,34年之后,他在计算机历史上的地位才通过一场官司纠纷而被最后认可[15]。

约翰·阿塔纳索夫(John Atanasoff,1903—1995)是美国理论物理学家和发明家。阿塔纳索夫和他的助手贝利(Clifford Berry,1918—1963)于1939年发明的ABC(Atanasoff-Berry Computer)计算机,是现代所有大大小小电子计算机的“鼻祖”,如图2-13所示。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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