音乐机器人的发展历史与技术成果

龙源期刊网音乐机器人的发展历史与技术成果作者：付晓东来源：《演艺科技》2015年第05期【摘要】音乐机器人技术是音乐与科技交叉领域的顶层应用学科，简要梳理音乐机器人发展历史，着重介绍21世纪以来音乐机器人技术的代表性成果，并从发音原理、表情化演奏、仿生结构与智能程度等不同的技术方面进行了描述与分析。【关键词】音乐机器人；仿生；智能；自动演奏；交互；即兴创作文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.003HistoryandTechnologicalAchievementsofMusicalRobotFUXiao-dong（MusicDepartmentofScienceandTechnology，ChinaConservatoryofMusic，Beijing100101，China）【Abstract】Musicroboticsapplicationisthetopcross-disciplinaryfieldsofmusicandtechnology.Inthispaper，thewritercombsthedevelopmenthistoryofmusicrobotbriefly，andfocusesontherepresentationresultsofmusicalroboticsfromthethe21stcentury.Additionally，somedifferenttechniquessuchaspronunciationprinciple，expressionofplaying，bionicsandintelligentdegreeweredescribedandanalyzed.【KeyWords】musicalrobot；bionics；intelligence；automaticallyplayer；interaction；improvisation1机器人与音乐机器人的定义机器人（Robot）“是一种自动化的机器，其具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”①它能够模拟人类行为或思想，并完成人类的指令与需求。现代意义上的机器人诞生于20世纪60年代，按其智能程度，迄今已经历了示教再现机器人（非智能）—适应机器人（轻智能）—自律机器人（强智能）三代的发展，被广泛运用于工业、农业、服务业等领域。音乐机器人（MusicalRobot）是通过程序输入（数字或机械）而实现自动演奏音乐的仿真机器，但迄今为止，并没有一个明确的定义来划定其范畴。按智能程度分类，大致可以分为两类。龙源期刊网（1）自动机类音乐机器人。以“示教再现”（第一代机器人）的功能范畴归纳，一切具有自动演奏功能的音乐机器人。（2）智能类音乐机器人。考虑到机器人所具备的智能因素，即以“适应”功能（第二代）与“自律”功能（第三代）的范畴归纳，具有一定音乐内容处理、表情性演奏、自适应学习能力以及某种程度上自主创作、即兴表演功能的音乐机器人。2从音乐自动机至智能音乐机器人的演进2.1音乐自动机如果将自动机（Automaton）视为现代机器人的始祖，那么音乐机器人则可追溯至能演奏音乐的自动机（MusicalAutomaton）。欧洲从古希腊时代就已经发明与制造了自动机，能够进行音乐演奏的自动机则被发明家们视为是工艺、机械与艺术的完美结合，从而受到狂热的追捧。由此，历史上各种体鸣与气鸣类音乐自动机层出不穷。其中，最为典型的就是大家熟知的八音盒（MusicBox），它的动力来自于发条的驱动，旋转的圆柱或圆盘上分布着预置排列的凸点，以其拨动梳状排列的金属簧片而发声（见图1）。从公元9世纪巴格达的巴努穆萨兄弟所发明的水力自动风琴（HydropoweredOrgan）起，至13世纪欧洲佛兰德的自动排钟，再至1796年瑞士钟表匠安托·法布尔制造出的世界上第一个现代意义的八音盒，一直到今天所看到的藏于故宫博物院与上海八音盒陈列馆所收藏的八音盒珍品，可以看到千年来的音乐自动机历史。一个有趣的事实是，当今全球市场上作为玩具与礼品的八音盒，绝大多数产自中国。另一个被人熟知的音乐自动机就是自动演奏钢琴（AutomaticallyPlayerPiano）。自动演奏钢琴起源于19世纪末的欧洲，其最初的模型是在普通钢琴前外置一个“演奏器”的机械装置，演奏器以打孔纸卷记谱（打孔位置与钢琴谱相符），用脚踏风箱鼓风作为动力，使纸卷缓缓转动，根据纸卷上的孔位驱动相应的“木手指”机械击琴键奏出音乐。随后演奏器被直接安装于钢琴内部，还增加了控制速度、力度、踏板等的装置。19世纪到20世纪前期，拉赫玛尼诺夫、德彪西、马勒、格什温、理查·斯特劳斯都曾为这种乐器写作乐曲，并制成纸带供自动钢琴演奏使用。现代自动演奏钢琴出现在20世纪80年代，是利用计算机把演奏者手指对钢琴键盘的弹奏音高、节拍、速度和力度转换成特定的MIDI信号存于存储介质，并传递给自动钢琴控制器控制驱动器，驱动器安装在键盘底部的电磁线圈动力部件，推动钢琴的榔头敲击琴弦而产生音乐。“现代的自动演奏钢琴是一个将钢琴制造、电子工程、计算机软件及网络通信技术结合为一体的高科技机电一体化装置，由传统钢琴、机电转换装置、电子控制系统、曲库及作曲软件等几个部分组成”②。它还可以被单独地集成为一个自动钢琴演奏系统单元，安装在任何一台传统钢琴上而将其改装成为一架自动演奏钢琴。如今，它已经被广泛地应用于各类商业与家庭娱乐场所中，著名的生产厂商有美国的PIANODISC公司、日本YAMAHA公司等，而国内也有了若干生产自动演奏钢琴的厂家。2.2类人音乐机器人龙源期刊网人类的技术史上一直存在着对运动仿生的追求，而八音盒或自动演奏钢琴仅仅是在机械控制技术层面所实现的乐器自动演奏，还未涉及真正的机器人仿生领域。由于人在演奏乐器时要求全身的机能协调自如，以实现对音长、音强、节拍与速度的精确掌控，因此，机器人对人类演奏家从形体至演奏技术的全面仿真，则成为展示与炫耀仿生技术成就的最富挑战性的目标。1738年法国发明家与艺术家JacquesdeVaucanson（1709〜1782）设计了长笛与铃鼓演奏机器人（见图2），被视为是音乐机器人发展历程的一个里程碑。图2中，左面是一个真人大小的长笛机器人，通过鼓风系统来模仿人的呼吸机制吹奏长笛，可以演奏12支不同的乐曲；右面是一个真人大小的铃鼓机器人，为长笛机器人击鼓伴奏。当然，长笛与铃鼓机器人都是采用机械控制手段而实现其自动化，并不具备任何的智能因素。但是，从机器人仿生学的角度，长笛机器人是世界上首个能够模拟人演奏行为演奏气鸣乐器的机器人，其在发音机制与音高控制的技术上实现了仿真技术的突破，一般将其视为类人音乐机器人的起源。2.3智能音乐机器人20世纪60年代以后，尽管工业机器人开始大规模地应用于制造业领域，然而，拥有人类外形与机制的类人机器人的研制仍然是工程学所面临的挑战性命题。同时，如何使音乐机器人能够像人类演奏者一样具备阅读乐谱、实时伴奏的初级智能水平，也是音乐机器人亟需突破的目标之一。随着机器人技术、人工智能、计算能力等方面的发展，20世纪80年代初，日本早稻田大学（WasedaUniversity）的加藤一郎教授研制了第一个全尺寸类人机器人“早稻田1号”（WABOT-1）；在此基础上，1984年，研制成功了能够演奏音乐会管风琴的音乐机器人“早稻田2号”（WABOT-2）。早稻田2号音乐机器人具有人类的外表与结构，以摄像头为眼，能够阅读乐谱、演奏中等难度的乐曲，并能够根据歌手的演唱调整速度进行伴奏，如图3所示。早稻田2号音乐机器人标志着智能音乐机器人时代的到来。它是首个能够将符号乐谱转换为音乐演奏行为的音乐机器人，并能够表现一定程度的节奏、音量变化，实现了具有表情的音乐演奏；同时，它所具有的机器学习功能使机器人拥有了音乐家演奏乐器的机能与灵敏性，具备了与人类演奏者合作表演的初级能力。321世纪代表性音乐机器人21世纪以来，机器人学（Robotics）相关领域的技术进步与创新成果的集合，为音乐机器人的研究与开发带来了突破性进展。这些关键技术包括：对人类运动控制的精确理解、表情化音乐演奏特质的提取、多通道的音乐交互方式（如通过听觉、触觉、视觉）的实现等。这些技术大幅提升了音乐机器人在音乐分析与创作、精确快速的运动控制、协同合作与即兴表演等方面的艺术才能。同时，科学家与研究者开发出了更为自然友好的控制界面与仿真外形，大大拓展了音乐机器人在教育、娱乐、服务业中的应用。现介绍一些21世纪以来代表不同层面的音乐机器人，涵盖管乐（McBlare风笛机器人）、弦乐（丰田小提琴机器人）和打击乐（Shimon马林巴机器人）等各类音乐机器人。3.1McBlare风笛机器人龙源期刊网年，美国卡内基·梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）机器人实验室为庆祝其成立25周年，特别研制了McBlare风笛机器人为这一庆典献礼⑤。McBlare能够演奏标准的苏格兰风笛，图4则是McBlare身着传统苏格兰方格裙的演出照，图5是McBlare背面图，它采用空气压缩机来提供空气动力（见图5下），以电磁控制手指系统（图5左上）驱动机器人的手指来控制风笛音孔的开关而产生不同音高。McBlare能够接收并响应MIDI控制器发送的MIDI信息，因此，可以通过MIDI接口与键盘、计算机或MIDI音序器等软硬件进行实时通信。McBlare的控制与运动机能远远超出人类演奏者的生理极限，因此它除了能够演奏传统的苏格兰风笛作品，还能够演奏实验性的高难度计算机音乐作品。McBlare风笛机器人一个更重要的特征体现于它能够在演奏的过程中实时地加入装饰音，而音乐中充满大量的即兴装饰音正是传统苏格兰风笛音乐的风格特色。McBlare通过对大量风笛作品的统计与学习，能够在演奏过程中根据音乐音响的语境自动加入具有鲜明特色的装饰音。除此之外，McBlare还可以通过传感器识别手势运作，从而根据手势指令来实时地演奏非传统的音乐作品。在形制与功能上，McBlare风笛机器人是1738年法国长笛机器人的扩展，但后者仅仅是一个非智能型的类人音乐机器人，而Mcblare拥有智能化的装饰音演奏与手势识别功能，此区别足以将其归入“适应”机器人类别。3.2丰田小提琴机器人对于类人机器人而言，小提琴演奏无论从运动生理学角度还是音乐情感表达的角度都要比演奏其他气鸣或体鸣乐器复杂得多。机器人除了要掌握右臂的弓法与力度、左手的指法与把位、双手的配合与协作等乐器演奏技术之外，还要拥有小提琴演奏中对于微妙变化的表情性能力。在日本机器人学领域，这种表情能力被称为かんせい（Kansei），其汉语的音译与意译对应于“感性”一词。对于智能机器人而言，一个能够表现出“感性”因素的小提琴机器人是一个巨大的挑战，这方面日本的机器人研究走在了世界的前列。丰田汽车公司（ToyotaMotorCorporation）经过了十几年的研究，2005年推出了类人小号音乐机器人（图6左）；在此基础上，2007年研制成功了具有“感性”功能的小提琴机器人（图6右），并在东京进行了首演，之后在2010年上海世博会上演奏了中国观众熟知的中国民歌《茉莉花》，引起世界范围的轰动。丰田小提琴机器人身高1.52m，体重56kg。它以右手持弓，具有六级自由度的右臂能够擦奏小提琴琴弦而发出各种力度的乐音；左手手指由电磁驱动的螺旋管构成，由于小提琴的尺寸限制，左手只有三个手指用于按弦（图7）。它能够演奏中等技术难度的小提琴乐曲，并具有一定的音乐“感性”表达能力。当然，同本田公司推出的著名的ASIMO行走机器人⑦一样，丰田公司推出小提琴机器人的目的并不限于音乐表演，其最终目标在于提供家庭医护与家务机器人，以进军家用市场。因此，它的音乐表演