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可重复使用的火箭都出来了,但为何还没有会飞的汽车?

时间:2018-11-19 阅读:
电动汽车成为了现实,自动驾驶还没有;火箭回收成为了现实,会飞的汽车还没有;用即时通讯工具随时 发送文字图片视频成为了现实,可以协助你日常生活的 AR 眼镜还没有。它们之间究竟有什么区别呢?斯坦福大学教授,美国著名机器人制造专家 Rodney Brooks 近期在在线杂志《IEEE Spectrum》发表了一篇文章,谈了谈他的见解。

制造电动汽车和可重复使用的火箭可能很容易,而相比之下,建造核聚变反应堆、可以飞行的汽车、自动驾驶汽车或超回路列车系统就十分困难了。我们甚至看到过调侃理想中的技术进步和实际科技产品的段子:「We were promised flying cars, and instead what we got was 140 characters」(说好的未来科技应该是会飞的汽车,但现实里发生的是一条推特不可以超过 140 个字。)

电动汽车成为了现实,自动驾驶还没有;火箭回收成为了现实,会飞的汽车还没有;用即时通讯工具随时 发送文字图片视频成为了现实,可以协助你日常生活的 AR 眼镜还没有。它们之间究竟有什么区别呢?斯坦福大学教授,美国著名机器人制造专家 Rodney Brooks 近期在在线杂志《IEEE Spectrum》发表了一篇文章,谈了谈他的见解。雷锋网 AI 科技评论编译如下。

并不复杂的核心答案

简而言之,这个问题的答案就是:经验。理论上的可能性和实践之间的区别只有通过尝试才能发现。因此,即使可以从物理学理论上说明某件事是可行的,如果它没有在实验室中被证明,你就可以认为那件事离成为现实还很遥远的。如果它只能在原型中被证明,那么它离成功还很遥远。而如果某些版本的成果已经大规模部署,并且大多数必要的改进都是可以在不断的进化中实现的,那么它可能很快就会成功。即便如此,如果没有人想要使用它,不管开发它的技术人员有多热情,它也会在仓库里渐渐黯淡下去。

弄清楚是什么使一项潜在的技术易于开发或难以开发是十分重要的,因为做出一个错误可能会导致你做出不明智的决定。法国估计耗资 220 亿美元正在建设的国际热核实验反应堆就是一个例子。如果世界各国政府相信这项艰巨的努力势必走向成功,并可以在短期内实现商用核聚变反应堆,然后他们围绕这一假设制定国家能源战略,那么他们的公民最终可能会非常失望。

下面我会谈几个技术项目,这些项目目前正在进行中,或者至少正在被认真地讨论。在每种情况下,我都将指出一些使一项技术容易或难以投入市场的特性。

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其实,有些地方并不需要太多改变

电动汽车是一项相对容易的技术,因为汽车已经大规模生产了一个多世纪。我们拥有超过100年的设计和大规模制造挡风玻璃、雨刷、刹车、车轮、轮胎、转向系统、可以上下移动的窗户、汽车座椅、底盘等等的经验。我们也已经拥有了超过20年的数字化传动系统制造经验。

更重要的是,我们已经有了完整的驾驶基础设施,包括道路,停车位,安全标准,汽车保险,以及政府对车辆和司机的驾驶许可。因此,从内燃机车到电动汽车,你不需要从零开始发明所有东西,然后弄清楚如何大规模部署这项技术。

当然,如果你想要以具有竞争力的价格,大规模生产出具有很长的续航里程并且有很强的可靠性的电动汽车,你必须非常聪明,你需要好的电池,而且资金雄厚。但是仍然有很多东西你并不需要做出改变。在这个领域,有很多人已经从事相关组件的开发工作几十年了,也有很多用于构建和组装这些组件的现成的专业知识。电动汽车是一项新技术,但并不是一项难于登天的技术。

同样地,可重复使用的火箭听起来可能是颇具革命性的,但是这个领域仍然有大量的现有技术。所有的液体燃料火箭都起源于 Wernher von Braun为希特勒制造的 V-2 火箭。V-2 拥有高流量涡轮螺旋桨发动机(功率为433千瓦!),这种发动机将燃料在内部循环流动以冷却引擎的部分部件,并且能够携带自己的液氧,这样它就可以在大气层上空飞行。76 年前,V-2迎来了它的的第一次飞行。在这之后,它继续被大规模生产,尽管这之后就变成了劳动密集型工业。

从那以后,全世界已经开发了20多个不同系列的液体燃料火箭,其中一些有数百种不同的配置类型。有着 52 年历史的联盟号系列火箭在发射的过程中有20个液体燃料推力室燃烧。在 Delta 系列中,Delta 4 型的「重型」变种有三个基本上完全相同的核心并排放置,其中每一个核心都可以作为前一个单核 Delta 4 型火箭的第一个阶段。

自上世纪 50 年代 Rolls-Royce 展示其「飞行试验器」以来,使用喷气发动机推进器在地球上软着陆的技术就已经出现了。接下来的十年里,「鹞」式战斗机也出现了,它可以垂直起落。1969 年,一架登月载人火箭垂直降落在月球上。上世纪 90 年代,McDonnell Douglas 建造了单级Delta Clipper试验火箭(也称 DC-X),该火箭在新墨西哥州的白沙导弹靶场垂直起落了六次。

如今,SpaceX 公司生产的可重复使用的猎鹰火箭,在返回发射场或回收驳船软着陆时,利用网格鳍来控制第一阶段。网格鳍片背后的理论是由 Sergey Belotserkovskiy 于上世纪 50 年代在俄罗斯提出的,自上世纪 70 年代以来,装备有这些鳍片的火箭一直用于导弹和制导炸弹,以及载人联盟号太空舱的紧急逃生系统。

我绝不是说开发电动汽车或可重复使用的火箭不勇于创新、不努力,也不具有令人印象深刻的创造性工作。这些工作都做到了上面几点,然而,它们的确建立在大量以前的工作以及现有的物质和业务的基础设施之上,所有这些都增加了成功的机会。对于可能出现的许多问题(尽管不是所有问题),都有已知的解决办法。因此,这会给我们一定的信心,可以预计出这些技术在技术上是成功的,并且可以大规模部署。

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我们还有很长的路要走,远未成功!

然而,全新的想法却很难评估。无论这些想法乍看起来多么合乎逻辑,我们都不清楚它们何时会成功,甚至它们是否会成功。

热核聚变反应堆就是一个例子,该理论很早就被提出来了,但与它刚刚被提出来的时候相比,该技术仍然几乎没有进展,并没有更加接近于实现。自上世纪 50 年代以来,该项目一直在开发中,在那个时候,我们知道了持续的核聚变「不是无法实现的」。毕竟,太阳就是这样发光的。66 年前,随着「Ivy Mike」氢弹的爆炸,人类首次实现了短暂的核聚变反应。过去,未来主义者满怀信心地预测人们在可预期的将来可以使用核聚变内发电,但这一点到现在还没有实现。我怀疑今天的许多人会相信任何具体的预测核聚变被用于发电的日期。

为了实现持续的核聚变,温度极高的气体必须被保存在极高压力的容器中。没有物理容器能承受这样的温度和压力。作为替代,强磁场可以用作非物理容器。而这样的磁场是非常难以产生和控制的,我认为即使是 50 年之后,也没有人会相信我们已经接近于解决所有的工程问题。

我想我无需多言了:这的确是一个难题。

可以飞行的汽车是又一个重新流行起来的梦想。最初,你的梦想是开车行驶到一片开阔的可以起飞的空地,飞到你的目的地,然后着陆,继续回到路上开始最后一段旅程。你的飞行汽车可以让你跳过道路拥堵,以更快的速度巡航。这个梦想从来没有实现过,但是现在,十几家创业公司都在这个赛道中角逐,就在刚刚过去的十几年里,积极致力于这个想法的工程师数量大大增加了。

这个问题很难解决,因为飞行汽车结合了两种完全不同的工程结构。想要设计一种既能在数千米高空飞行,又能适应道路和高速公路网对传统汽车施加的狭窄空间限制,同时又能满足飞行和地面运输的各种安全和效率要求的交通工具,并非易事。对一种工程结构进行优化意味着牺牲另一种工程结构的性能。

因此,今天的初创公司所提出的飞行汽车通常是完全不同于上述交通工具的东西就不足为奇了:他们正在研发点到点的飞行汽车,其中大部分是电动的,据说这些飞行汽车可以由普通人驾驶,无需经过大量培训。这样的飞行汽车通常没有车轮,这意味着你需要通过一些其他的方法前往你的飞行汽车停放的地方,一旦你着陆了,你又需要通过某种方法前往你的最终目的地。

虽然飞行汽车的这种改型不必体现在公路上,但它存在其他问题:车辆必须以某种方式充电或加油。作为超轻型飞机,它们不能飞越建筑物上空,这一限制将妨碍它们在通勤方面的用途。业余飞行员几乎没有受过任何训练,但仍需遵守空中交通管制规则,并通过保险公司的检查。

况且,迄今为止我们还没有看到任何一次公开的飞行演示,甚至没有人声称将进行这样的演示。此外,规章制度和相关的保险也都还没有还没有开始实施。现在期待这样的飞行汽车能够梦想成真还为时过早。

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困难近在咫尺

无人驾驶汽车可以说是目前最受期待的一项技术。而这个领域的困难在于,没有人真正尝试过这样的技术。

去年,我在这本杂志上就这个问题的一个方面发表了文章:自动驾驶汽车可能对人类行为产生的意想不到的后果(http://rodneybrooks.com/unexpected-consequences-of-self-driving-cars/  ,见「自动驾驶汽车技术中有关于人的问题」,https://spectrum.ieee.org/transportation/self-driving/the-big-problem-with-selfdriving-cars-is-people  )。我指出,行人和其他车辆的司机可能会发现自动驾驶汽车很容易成为反社会行为的目标。我还注意到,自动驾驶汽车的车主可能会以他们永远不会通过他们使用普通汽车的方式使用自动驾驶汽车,他们可能会屈服于自己的反社会行为。

另一个问题是所谓的「边界情况」,它涉及到机器人汽车何时会到达它们能力极限的问题。其中一些限制是在实际应用前不知道的。我们所知道的例子包括汽车必须具备阅读和解释临时标志的条件,例如道路建设的警告;可以钻法律条文的空子的情况;网约车服务必须弄清楚乘客被允许拥有多少控制权;当人类司机面对的是无人驾驶汽车、无法与其他人类司机交流时(比如在协商会车的过程中),汽车必须决定该怎么办。

无人驾驶汽车不会简单地取代有人类驾驶的汽车。相反,我们将安装专用车道,甚至让自动驾驶汽车进入自己的车道,或为其铺设整条道路,以保护它们不受人类驾驶汽车的影响,反之亦然。此外,我们还将改变在哪里可以接人、在哪里可以让人下车,以及其他很多事情的标准。

近一段时间,自动驾驶汽车似乎突然间取得了巨大的进步。然而,如果你回头看看,自从 Ernst Dickmanns 和他在德国联邦国防军大学慕尼黑分校的同事们在一条公共高速公路上驾驶自动面包车以来,这一领域的技术已经经历了32年的发展。

直到去年,没有安全驾驶员的真正的自动驾驶汽车才开始在凤凰城附近的公共道路上运营 Waymo 的拼车项目。而 Waymo(谷歌母公司 Alphabet 的子公司)正在示范这一重要的举措。

除此之外,传感器的价格仍需大幅下降,汽车的使用方式仍需确定。我们需要安全法规的相关改变,以及分配法律责任的方式的改变。而想要要改变法律,必须先改变我们对代价自动驾驶汽车的态度。

只有当自动驾驶汽车从一个科学实验的地位,发展到一个商业企业的地位,它才能证明自己——也就是说,当这些汽车的制造商开始从销售中获利时,无论是对个人还是对车队运营商,自动驾驶汽车才能证明自己的可行性。起初,这些汽车将在有限的地区和市场上运行,比如商场、工业园区和其他不允许人手动驾驶汽车的地方。也许他们将被限制在一天中的特定时间和特定的天气条件下使用。最终,自动驾驶汽车的各种问题应该会得到解决。但这一切的展开将比狂热的追捧者者想象的要慢。

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创新过程中遇到的麻烦总是量变产生质变

超回路列车(Hyperloop)是另一种比它乍一眼看上去更难的技术。这个想法是建立一个几乎真空的管道,通过这个管道,装满人或货物的胶囊可以通过外部施加的空气压力或通过使用磁感应线圈来加速。这一概念吸引了许多企业家和支持者的想象力和资金,但这样的技术是史无前例的,更不用说大规模运营了。

如何开发这种以直线的形式延伸数百公里的管子本身(一种超稳定的、气密性强的圆柱体)就是一个问题。你还需要设计这种胶囊,它可以在载人时以接近音速的速度飞行。密封的胶囊将需要一个完全独立的生命维持系统。任何胶囊不会停靠的站点也需要在胶囊通过时进行密封,而任何乘客上下的站点也都需要允许他们这样做。例如,必须制定出紧急程序,从距离最近的车站100公里的胶囊中救出乘客,然后取出这个胶囊,以便重新启用这个管道。你需要一些方法与胶囊进行通信,而这样的通信方法需要穿透近似于一个非常好的法拉第笼的胶囊。

为了乘客的安全,也为了让他们在乘坐过程中神志清醒,我们必须开发出相应的座椅和约束装置。而在一个没有窗户的房间里,在剧烈的加速度下,把自己塞进座椅里,可能不是一件很自然的事情。整个系统需要具备某种保护措施预防地震,还需要应对由于管道下面的构造板块移动了一两厘米造成的微小的位移。另外,不要忘记获得线路的土地使用权、购买保险(包括弄清楚超回路列车自己的保险如何与乘客的保单相互制约)、商业模式等等。

你可能会说,每一项超回路列车面对的问题都不太难解决,但当它们合在一起确实构成了一个难题。许多新技术和设计必须从零开始开发,然后进行证明。从这一点上说,他们甚至还没有全部被列举出来。

在所有的技术挑战都得到了明确和成功的证明之后,还有一个完全不同的问题。这就是心理问题:至少在一开始,要说服乘客使用那些没有窗户的高速系统是很难的。最后,即使是一个安全、功能强大的超回路列车要想让它的投资者们赚回投入的资金,也需要相当长的时间。

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有时,梦想成真还需要一段时间

有时,尽管没有明显的障碍,即使是一项简单的技术的进展也会慢如蜗牛。我们如何组织互联网的地址的过程就是最好的例子。

IPv6 使用的是 128 位的地址,高于之前协议 IPv4 的 32 位。这样就将 IPv4 时代的所有网络上的设备潜在的唯一地址的数量从小小的 40 亿提升了不可思议的 7.9*1028 倍。工程师们在 20 世纪 90 年代开发了这个新版本,因为很明显,加入网络的设备要比预想的多得多——不仅是电脑,还有电表、工业传感器、交通传感器、电视机、电灯开关等等都加入到了网络中。大量的聪明才智被花费在将远远超过万亿的设备塞进这个微不足道的 40 亿设备地址空间上。尽管 IPv6 在 1996 年就已经被完全定义了,但它仍然没有完全取代 IPv4。

2010年,从 IPv4 到 IPv6 转换的目标日期是 2012 年。2014年,99% 的网络流量仍在使用 IPv4 协议。到2017年底,在 IPv6 上运行的网络流量从低于2%(通过阿姆斯特丹互联网交换)增长到刚刚超过 20% (对于谷歌服务的用户)。显然,IPv6 是一项进展缓慢的工作。

在指出使令一种技术比另一种技术更难的不同之处时,我并不是在鼓吹技术失败主义。我只是想说,我们应该正确地判断别人告诉我们的任何事情的难度,这在今后可能非常重要。如果这个想法是建立在实践经验的基础上的,那么谨慎的乐观主义是恰当的,反之则不是。然而,内心充满希望是很宝贵的,我们不应该浪费这种对未来的憧憬!

(原文发表于 IEEE Spectrum,雷锋网AI 科技评论编译)

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