共融機器人研究和應(yīng)用前景廣闊(開卷知新)

　　自上世紀(jì)50年代第一臺機器人發(fā)明至今，機器人技術(shù)不斷進(jìn)步，昔日科幻作品對機器人的許多想像已成現(xiàn)實。比如，人類已製造出螞蟻、蝴蝶、飛天水母等形形色色的倣生機器人，能夠做出高難度體操動作的人形機器人，能夠表現(xiàn)出超過62種面部表情的機器人，等等。隨著智慧傳感、人工智慧、大數(shù)據(jù)等技術(shù)快速發(fā)展，機器人不斷被賦予與環(huán)境交互、模倣人類甚至自主學(xué)習(xí)等新技能。

　　當(dāng)前，在産業(yè)升級、健康服務(wù)、國防安全、太空探索、科考與資源開發(fā)等關(guān)乎人類未來的領(lǐng)域，機器人的作用日益突出。機器人研究正在成為全球高科技競爭熱點，許多國家都將機器人列入優(yōu)先發(fā)展的産業(yè)技術(shù)行列。

　　超越三大歷史階段，共融機器人領(lǐng)跑未來

　　回顧歷史，機器人的發(fā)展大致經(jīng)歷三個階段。第一代機器人相當(dāng)於“遙控操作器”，由人操作機械進(jìn)行挖掘、搬運等工作，主要起到放大操作員力量的作用；第二代機器人能夠根據(jù)離線編好的程式自動重復(fù)完成操作，目前工業(yè)生活中常見的工業(yè)機器人就是這一類；第三代機器人是智慧機器人，可通過各種感測器獲取環(huán)境資訊，利用智慧技術(shù)進(jìn)行識別、理解、推理並作出規(guī)劃決定，屬於可自主行動、實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的交互機器人。工業(yè)領(lǐng)域中負(fù)責(zé)搬運、焊接與裝配等任務(wù)的工業(yè)機器人、服務(wù)行業(yè)中的掃地機器人和炒菜機器人等都屬此類。

　　機器人雖已廣泛應(yīng)用於國民生活和經(jīng)濟各領(lǐng)域，但其靈活性和智慧決策能力等方面尚顯不足。比如，工業(yè)機器人感知能力較弱，只能在穩(wěn)定的環(huán)境中工作，即主要在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行各類確定性任務(wù)，否則就容易出錯甚至傷人毀物。這就是為什麼工業(yè)機器人經(jīng)常“單兵作戰(zhàn)”，甚至需要防護(hù)網(wǎng)將機器人作業(yè)區(qū)和工人作業(yè)區(qū)分開。服務(wù)機器人是應(yīng)對未來全球人口老齡化趨勢加劇的有效手段，但目前存在無法接受抽象指令、難以與人有效溝通、人機協(xié)調(diào)合作能力不足、安全機制欠缺等問題。特種機器人是代替人類在極地、深海、外星、核輻射場所、軍事戰(zhàn)場、受災(zāi)地域等危險區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的重要工具，但存在過度依賴編程和人類遠(yuǎn)端操作、自主性不足等問題。

　　克服上述不足、有效擴展和延伸人類能力，是未來機器人的發(fā)展方向——共融機器人應(yīng)運而生。

　　實現(xiàn)“共融”目標(biāo)，需要機器人技術(shù)多層面革新

　　共融機器人，是指能與作業(yè)環(huán)境、人、其他機器人自然交互，自主適應(yīng)複雜動態(tài)環(huán)境並協(xié)同作業(yè)的機器人。“共融”具體包含三層含義：一是機器人與環(huán)境的自然交互。傳統(tǒng)機器人在特定區(qū)域工作，目標(biāo)簡單、對象單一，但在實際生産生活中很難有如此純粹的環(huán)境。讓機器人走出車間，走進(jìn)山地、雪地，來到人來人往的街道，甚至讓機器人和人一起在動態(tài)環(huán)境中協(xié)同作業(yè)，是共融機器人的第一重目標(biāo)。二是機器人之間的互助互補。兩個人可以抬起更重的物品，三人一組的F1賽車服務(wù)人員可以在兩秒內(nèi)更換一個輪胎，一臺複雜的內(nèi)科手術(shù)需要多位醫(yī)生和護(hù)士協(xié)作。機器人如何通過多“人”協(xié)作以實現(xiàn)單體能力的突破呢？這就是共融機器人發(fā)展的第二重目標(biāo)，實現(xiàn)機器人之間的協(xié)作、互補，通過合作增強機器人整體功能和性能。三是機器人與人之間的協(xié)同作業(yè)。與人合作，不單指聽人指揮，共融機器人還需要有自己的“判斷”和“想法”。人是複雜的、動態(tài)的，和人協(xié)作是對機器人更高的要求。這時，機器人不再被動等待人的協(xié)助、不再一味依賴人的編程，而要能夠主動感知並解決各種問題。

　　為實現(xiàn)以上與環(huán)境，與其他機器人，與人類共存、共事、共融的目標(biāo)，機器人需要在“身體”“感知”和“意識”上進(jìn)行革新。

　　機器人的結(jié)構(gòu)要更加柔軟，不僅有“骨”，還要有“肉”。機器人以鋼鐵鑄就骨架，具有強大力量。但在這副“鐵骨”之上，要長出柔軟的“血肉”。比如工業(yè)機器人要滿足銑、鑽、拋、磨、削等製造任務(wù)需求，需要機器人結(jié)構(gòu)具備更大的自由度和更強的順應(yīng)性，以實現(xiàn)曲面適應(yīng)、柔順抓取等功能。醫(yī)療康復(fù)、助老助殘等應(yīng)用，則更要求機器人結(jié)構(gòu)從剛體、剛?cè)狁詈习l(fā)展為柔體、軟體甚至流變體，以更好地適應(yīng)使用者，保護(hù)使用者。

　　機器人的感知系統(tǒng)要更加靈活多樣，實現(xiàn)多模態(tài)融合。人類之所以能夠適應(yīng)各種環(huán)境，離不開人類對不同環(huán)境的敏銳感知力。共融機器人同樣需要這種多樣化的感知能力。值得注意的是，多樣化感知不是添加幾個感測器這麼簡單，還有信號傳輸、運算、識別等許多工作要做。很多情況下，要識別外部環(huán)境的情況、他人的意圖，需要多種模態(tài)信號的融合處理，需要機器人實時感知、理解甚至不斷學(xué)習(xí)才能實現(xiàn)。

　　機器人群體協(xié)作溝通能力要更強、更自然。隨著單個機器人感知能力的提升，以及機器人集群數(shù)量和形式的增加，機器人群體之間的資訊溝通、獨立智慧和分佈協(xié)作的重要性越來越高。未來，我們需要一個兼具個體自主性和群體合作性，同時具備實時性和安全性的分佈式作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)架，來突破共融機器人的系統(tǒng)瓶頸。

　　共融機器人是機器人學(xué)科和技術(shù)發(fā)展重要方向，助力人類創(chuàng)造美好生活

　　共融機器人積極呼應(yīng)社會發(fā)展需求和國家戰(zhàn)略需求，是我國機器人學(xué)科和技術(shù)發(fā)展重要方向。可以預(yù)見的是，隨著先進(jìn)製造技術(shù)、資訊技術(shù)以及人工智慧技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，機器人製造水準(zhǔn)將越來越高，“能工巧匠”“聰敏體貼”和“分工合作”等類型共融機器人將深刻影響人類生活。

　　“能工巧匠”型機器人將創(chuàng)造各種功能強大的智慧製造裝備，協(xié)助提升“中國製造”品質(zhì)和“中國創(chuàng)造”影響力，實現(xiàn)製造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。未來，各種新型操作、加工、裝配機器人等，將可以滿足大至飛機、航太器，小至電子零件的各種生産製造需求，現(xiàn)有的搬運、碼垛、焊接機器人將獲得新的提升和改進(jìn)。

　　“聰敏體貼”型機器人將進(jìn)入人類日常工作和生活，如康復(fù)機器人、外骨骼機器人等。一方面，機器人能夠“聰敏”地感知人類意圖，主動幫助人類完成一些任務(wù)，而不需要人類輸入明確、繁雜的指令。另一方面，機器人也會更加“體貼”，採用柔性結(jié)構(gòu)的穿戴式機器人將更好地和使用者的身體相適應(yīng)，工廠中的協(xié)作機器人也能做到不打擾更不傷害勞動者。

　　“分工合作”型機器人將出現(xiàn)在各種特殊環(huán)境中，應(yīng)用於搶險救災(zāi)、深海探索和國防安全等領(lǐng)域。這類機器人體型多樣，不管環(huán)境空間狹小還是廣袤，都可以通過分工合作，有效拓展和控制範(fàn)圍，完成重型操作任務(wù)。即便在部分損壞的情況下，這種分工合作型機器人仍可保持集群功能，從而積極適應(yīng)災(zāi)難場景和突發(fā)情況。

　　縱觀科技發(fā)展史，機械設(shè)備是對人類四肢的延展，電腦是對人類大腦的拓展，機器人則是對人類綜合能力的模倣，是具有感知、認(rèn)知和自主行動能力的智慧化裝備。共融機器人則進(jìn)一步提高感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等智慧活動能力，組成一個可以和環(huán)境，甚至和人類進(jìn)行自然交互的系統(tǒng)。為促進(jìn)共融機器人基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，2016年國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)佈“共融機器人的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計劃。該計劃瞄準(zhǔn)國際機器人研究前沿，面向國家重大戰(zhàn)略及民生需求，通過機械、資訊、力學(xué)、材料和生物等學(xué)科深度交叉與融合，開展面向共融機器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動、感知與交互、智慧與控制的共性基礎(chǔ)研究，力圖在剛—柔—軟耦合柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)、多模態(tài)環(huán)境感知與人體互適應(yīng)協(xié)作、群體智慧與分佈式機器人作業(yè)系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論和共性關(guān)鍵技術(shù)的源頭創(chuàng)新上取得突破。

　　在共融機器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究道路上，相信我們將培育出一批具有國際影響力的中青年學(xué)術(shù)骨幹和帶頭人，在探索中不斷提升我國機器人研究整體創(chuàng)新能力和國際影響力。

　　(作者丁漢為華中科技大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士，陶波為華中科技大學(xué)教授)

　　推薦讀物：

　　1.《現(xiàn)代簡史：從機器到機器人》：杜君立著；上海三聯(lián)書店出版。

　　2.《機器人學(xué)：建模、控制與視覺》：熊有倫等著；華中科技大學(xué)出版社出版。

　　3.《機器人革命：即將到來的機器人時代》：〔美〕約瑟夫·巴—科恩、大衛(wèi)·漢森著，潘俊譯；機械工業(yè)出版社出版。