1.1.1　Walter的海龟

现代的移动机器人诞生于1949年，当时W.G.Walter制造了2个有三个轮子、像海龟一样的自动机器人^[154]。这些自动海龟有光传感器、接触式传感器，还有推进电动机用于前轮驱动，操舵电动机来移动方向，以及真空管模拟计算机。Walter命名他的项目为Machina speculatrix，还以《爱丽丝梦游仙境》里的人物Elmer和Elsie命名了两个海龟机器人，也正好契合了ELectro MEchanical Robots,Light Sensitive,with Internal and External stability的大写字母缩写。这是第一个电子机械的自主移动机器人。这些海龟有三个特点：对柔光有趋向性，对强光有排斥性，对障碍物有排斥性。在各种实验中，海龟对很多外部刺激都会有回应：

1.目标追逐行为。当在黑暗中启动的时候，海龟会向着光线移动，跟随着光束，直到找到它的“窝”。

2.有自由的意志以在两者中做出选择，在跟随光线的行为中，会选择去靠近两个光源中更近的那个，靠近这个光源一段时间，然后移动去另一个光源，再返回之前的光源。这种循环的行为会持续直到能量耗尽。

3.固执。在跟随光源的时候，如果光源由于障碍物的遮挡在这些海龟的视线里不可见时，这些海龟会展示它们顽强的决心，它们会以随机的方向移动，并且在找寻光源的过程中，它们会呈现光跟随行为，如图1.9所示。

图1.9　Walter的海龟（Elsie的时间位移图显示了它的固执。在跟随光源的过程中，受到蜡烛的光在抛光防火墙上的反射的影响，海龟偏离了它的轨道。最终它找到了到达屏幕后面的蜡烛的路。摘自Fong et al.^[107]，由Elsevier授权）

4.最佳选择。海龟会避免极端的刺激，而选择温和的刺激。比如，当跟随光源时，它们会被光源吸引，但是它们会排斥强光。

5.社会组织与竞争。当两只海龟同时被放在黑暗的环境里，并各自放置了两根蜡烛作为光源时，两只海龟都会被彼此的光源吸引，并且仍然排斥强光。这样，它们就跳起了合拍的舞蹈，两个海龟会绕着彼此跳华尔兹。Walter甚至让这个实验变得更有趣，他又加入了第三个外部光源，刺激海龟的竞争行为，它们会争着跑向第三个光源。

6.响应内部生理变化，如电池低电量。Walter将海龟设计为电池电量较低时就会受到一定强度的光的吸引，以引导它们去充电舱。

7.自我实现。Walter甚至加入镜子来尝试更富创新性的实验。配上蜡烛，海龟跟随着镜子里的自己，但在到达并接触到镜子时，它的触觉传感器会将镜子检测为障碍，然后它就会绕着镜子转圈。Walter把这种行为叫作自我实现。第9章会讨论自我实现，并说明镜子确实是意识测试非常关键的存在。

8.除上面提到的之外，一份第一手资料显示Elsie是一名女性，Elmer是一名男性。

这不像达·芬奇的机器鸟和特斯拉的机器船，因为海龟没有固定的行为。相反，它的表现主要取决于在运行时受到的外部环境的刺激。这些海龟在受到外部刺激时，展示了自动性和线路规划性。Walter表示，他的海龟是“对生命的模仿”^[344]，是第一个人工生命（Artificial LIFE，ALIFE）的例子，为拟人灵感在机器人设计方面的应用奠定了基础。值得注意的是Walter知道他的海龟还远远不完美，如果任其自生自灭，它们会在跟随光源的过程中最终耗尽能量、卡在坚硬的障碍物中或者和同类展开竞赛决斗。

这两个海龟机器人最终被分解以提供零件，用以构建其他6个海龟。然而它们中的大多数都丢失或毁坏了，只剩下1977年Walter去世后他的儿子继承的一个。1995年Holland和他的技师团队修复了这个海龟，使其恢复了正常运行，也做了复制品Ninja和Amy，如图1.10所示。

图1.10　Ninja和Amy（Walter的机器人复制品，由The Bristol Robotics Lab的Ian Horsfield制造。使用的唯一现代零件是2个电机和电池，剩下的几乎都是Walter已经造好的。图片经布里斯托尔的西英格兰大学的Alan Winfield授权许可）

Walter曾经计划进一步开发Machina docilis或者条件反射模拟（COnditioned Reflex Analogue，CORA）海龟^[345]，它们与Elmer和Elsie的基础相同，但是附加了从环境交互中学习的能力。Walter以巴甫洛夫的条件反射研究为指导，应用了基本的神经模型来实现学习。然而，尽管可以肯定Walter已经开发了基于独立学习的设备，但不能确定他是否在海龟机器人上植入了此能力^[363]。之后，他努力开发的IRMA（先天释放机制模拟）设备拓展了更加高级的学习模式，但也和CORA一样，没有集成在海龟机器人上。

虽然是巧合^[155]，但并不意外。1949年，Walter开始开发海龟，Wiener^[352]探讨了通过超高速计算机把传感器读数和运动动作结合起来的初步构想，几乎就在同时，图灵开始有了图灵机的构想，而Shannon也构建起了通信理论。