徐揚生院士：智能機器人引領(lǐng)高新技術(shù)發(fā)展

　　在人類(lèi)歷史上，當某種技術(shù)被全力推進(jìn)時(shí)，往往會(huì )催生一大批相關(guān)的高新技術(shù)。

　　二戰后美國的阿波羅計劃就是典型例子，沒(méi)有阿波羅計劃，諸如高速計算機這樣的技術(shù)是不可能誕生的。正因如此，從上世紀60年代后期開(kāi)始發(fā)展的智能機器人技術(shù)，也正在對許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和科學(xué)研究起著(zhù)重要的引領(lǐng)作用。

　　機器人技術(shù)的發(fā)展與基本元素

　　早期機器人主要表現為簡(jiǎn)單的操作手，其任務(wù)是抓取部件，進(jìn)行位置變換或工位轉移，并完成一些單一的加工處理任務(wù)。隨著(zhù)操作手在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中數量逐漸增多、任務(wù)日益多樣，操作手之間開(kāi)始交互和聯(lián)結，形成上下游鏈條關(guān)系，并最終實(shí)現了工業(yè)生產(chǎn)中機器人和機器人構成的流水線(xiàn)。在這一階段，機器人代替人工作，降低工人的勞動(dòng)強度及技能要求，并能提高產(chǎn)品的質(zhì)量及穩定性。

　　隨著(zhù)空間技術(shù)的發(fā)展，空間機器人應運而生。其主要任務(wù)是在太空環(huán)境下對航天器表面進(jìn)行檢測和維修?？臻g機器人不再工作于結構化的環(huán)境、完成既定的任務(wù)，它隨時(shí)隨地需要對周?chē)r進(jìn)行感知和判斷。

　　在復雜工況下完成任務(wù)的需求對機器人技術(shù)的發(fā)展起到了革命性的推動(dòng)作用，使機器人技術(shù)從執行單一任務(wù)的研究，發(fā)展為結合傳感器、控制器、執行器的集成技術(shù)。這一階段，機器人可以完成人不能完成的任務(wù)，拓展了人類(lèi)工作范圍，突破人類(lèi)在生理上的限制。

　　近20年來(lái)，微電子、通信、計算機、人工智能、控制和圖像處理等學(xué)科的突飛猛進(jìn)，為機器人的高度智能化奠定了基礎。機器人不再是冷冰冰的生產(chǎn)工具，它逐漸成為日常生活中人類(lèi)的助手和伴侶，在生活、健康、娛樂(lè )等多方面對人類(lèi)提供服務(wù)，由此產(chǎn)生了巨大的服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)。比如，在家庭醫療監護方面，普通家庭往往只有一個(gè)溫度計，必須等到病征明顯才能發(fā)現疾病。醫療機器人可工作于家庭環(huán)境，對用戶(hù)的生理狀況做自動(dòng)測量并對生理指標進(jìn)行智能判斷或提交醫護人員，及時(shí)報警、提早診斷，達到“治未病”的效果。同時(shí)，醫療機器人還可幫助醫生實(shí)現復雜的手術(shù)，減小創(chuàng )口、擴展視野、提高靈敏度和可控性。再如，在家庭服務(wù)方面，機器人可像一個(gè)管家一樣對家居生活進(jìn)行全方面的照顧，輔助老人和小孩料理生活，并在主人離開(kāi)時(shí)，實(shí)現家庭監控。在這一階段，機器人的工作對象發(fā)生了根本性的轉變，由物及人，成為人類(lèi)的朋友和伙伴。

　　盡管機器人種類(lèi)千差萬(wàn)別、任務(wù)多種多樣，但從機器人科學(xué)技術(shù)的本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，主要包含三個(gè)基本要素，即感知、決策和動(dòng)作。

　　感知功能：機器人信息的輸入，就像人的五官負責采集工作環(huán)境的數據一樣。感知技術(shù)主要是傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，前者負責將實(shí)際世界的物理特性轉換為機器人可理解的數字量，而后者則負責將數字量快速、無(wú)誤地傳遞到機器人的決策層。

　　決策功能：機器人智能性的表現，就像人的大腦對感知到的信息作出判斷并為下一步動(dòng)作發(fā)出指令。決策技術(shù)主要是人工智能技術(shù)及智能控制技術(shù)，它要求機器人能夠實(shí)時(shí)地、閉環(huán)地處理各類(lèi)工況，而不僅僅是完全按照預定程序進(jìn)行開(kāi)環(huán)執行。

　　動(dòng)作功能：決策器的命令必須得到執行，而執行需要由一系列動(dòng)作來(lái)得以實(shí)現，就像人的運動(dòng)系統在大腦的命令下產(chǎn)生實(shí)際動(dòng)作一樣。實(shí)現動(dòng)作功能的主要技術(shù)為執行機構技術(shù)，包括手臂、手爪、移動(dòng)平臺、驅動(dòng)器，同時(shí)也涵蓋了執行機構的控制器，如電機控制器、壓力控制器等等。

　　智能機器人技術(shù)的特征

　　機器人科學(xué)與技術(shù)有著(zhù)顯著(zhù)的特征。

　　首先，機器人技術(shù)是智能技術(shù)。智能性是機器人的核心，這也是機器人之所以能夠稱(chēng)之為“人”的主要原因。智能性表現為對工作環(huán)境的自動(dòng)識別與判斷，其工作指令根據反饋信息自動(dòng)生產(chǎn)，而不是基于開(kāi)環(huán)設計。智能性也是機器人技術(shù)的難點(diǎn)，盡管目前人工智能技術(shù)已經(jīng)獲得了較大的突破，但相對于人的智能而言，機器人還十分笨拙、聰明度很低，尚需改進(jìn)。

　　其次，機器人技術(shù)是綜合性技術(shù)。綜合性是指機器人技術(shù)是集成技術(shù)，是典型的交叉學(xué)科。機器人技術(shù)的發(fā)展，必須建立在單一技術(shù)發(fā)展之上，而任何一個(gè)單一技術(shù)的突破，都可為機器人技術(shù)帶來(lái)革命性的轉變。例如MEMS技術(shù)的發(fā)展，使機器人小型化成為現實(shí)，催生出諸如血管機器人等一系列的微型機器人。

　　第三，機器人技術(shù)要求實(shí)時(shí)性。不管是早期的工業(yè)機器人，還是現在的空間機器人、服務(wù)機器人，都要求對現實(shí)情況作出快速的反應。機器人的工作，歸根到底就是人的工作，甚至是人類(lèi)活動(dòng)的拓展和延伸。人能夠快速地對各種不可預知的突發(fā)情況作出實(shí)時(shí)的響應，這就要求機器人也必須有此能力才能保證工作任務(wù)的完成。

　　第四，機器人技術(shù)是交互技術(shù)。機器人是人類(lèi)的朋友和伙伴，就必須能夠理解人的意圖和思想，就必須實(shí)現與人和社會(huì )的交流。例如語(yǔ)音識別技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)，就是幫助機器人“聽(tīng)”懂人類(lèi)的語(yǔ)言，并將自己的回應轉化為語(yǔ)音“說(shuō)”給人類(lèi)聽(tīng)。人機交互技術(shù)的本質(zhì)就是讓機器人具有與人交流的能力，并且這一交流過(guò)程越自然越好。

　　第五，機器人技術(shù)是平臺技術(shù)，能帶來(lái)極大的平臺效應。機器人技術(shù)是仿人技術(shù)，人能做什么，機器人就能做什么。因此，機器人技術(shù)實(shí)際上是一個(gè)技術(shù)平臺，搭配什么樣的任務(wù)，就能變成特定的機器人。例如，將機器人配置為駕駛員，則可實(shí)現無(wú)人駕駛車(chē)，將機器人設計為飛行員，即為無(wú)人機。

　　智能機器人對高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)作用

　　機器人技術(shù)整合各領(lǐng)域的研究成果，有機集成各領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并且應用范圍廣泛，因此，對現代化的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有著(zhù)極其重要的引領(lǐng)作用。

　　第一，對制造裝備業(yè)的引領(lǐng)作用。在制造、裝配、加工等行業(yè)中，機器人引領(lǐng)著(zhù)更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)轉型。目前，我國工業(yè)競爭力主要來(lái)自于廉價(jià)的勞動(dòng)力資源，形成了眾多粗放型、勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。然而，此發(fā)展模式的弊端日益凸顯。一方面，隨著(zhù)國民收入的增長(cháng)，我國的勞動(dòng)力成本逐年增加，相對于越南、馬來(lái)西亞、泰國等東南亞國家而言，已無(wú)優(yōu)勢。另一方面，此模式導致我國長(cháng)期處于產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈末端，以加工業(yè)為主體，附加價(jià)值小，抗風(fēng)險能力差。因此，產(chǎn)業(yè)轉型與升級、變“中國制造”為“中國創(chuàng )造”迫在眉睫。機器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中具體表現為工業(yè)生產(chǎn)流水線(xiàn)和各類(lèi)智能設備與裝置，將提高制造裝備的智能化水平，大大提升生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、作業(yè)安全性，并增加產(chǎn)品的種類(lèi)。只有擁有高精度、高可靠性的工業(yè)機器人才能保證制造產(chǎn)業(yè)的高附加值、高創(chuàng )新性和高技術(shù)瓶頸，才能提升我國制造業(yè)的水平。同時(shí)，高質(zhì)量的服務(wù)機器人需要高質(zhì)量的機械元器件，包括微型電機、傳感器等。機器人的高速發(fā)展將要求這些機械零部件具有更優(yōu)的性能。

　　第二，對家用電子行業(yè)的引領(lǐng)作用。在電子行業(yè)，機器人引領(lǐng)著(zhù)電子產(chǎn)品的性能和需求。服務(wù)機器人最終將成為一種家用電子產(chǎn)品，正如洗衣機、冰箱一樣。同時(shí)，與傳統家電相比，服務(wù)機器人是種類(lèi)繁多的電子產(chǎn)品，不僅有老人或小孩專(zhuān)用的，也有工人專(zhuān)用的，不僅有家庭專(zhuān)用的，也有社區專(zhuān)用的。一個(gè)機器人是由眾多電子元件搭建而成，用戶(hù)對機器人的高要求，實(shí)際上就轉化為對電子元件的高要求;機器人市場(chǎng)的擴大，實(shí)質(zhì)上也必將帶動(dòng)電子元件市場(chǎng)的擴大。同時(shí)，機器人的智能技術(shù)與電子產(chǎn)品相結合，將形成一大批具有智慧的電子產(chǎn)品，極大提升電子產(chǎn)品的性能，增加電子產(chǎn)品的種類(lèi)。

　　第三，對醫療診斷業(yè)的引領(lǐng)作用。在醫療器械產(chǎn)業(yè)中，機器人引領(lǐng)著(zhù)家庭監護的普及和醫療水平、生活水平的提高。其第一表現就是健康水平的提高，人們對健康的重視，必將帶來(lái)家庭監護的廣闊市場(chǎng)。機器人技術(shù)集成了生理參數采集，生理指標判斷，遠程醫療等各種功能，將成為未來(lái)家庭生活的必備產(chǎn)品。同時(shí)，將機器人運用于手術(shù)過(guò)程，可輔助醫生提高動(dòng)作的穩定性、精確度、靈活性。例如達芬奇手術(shù)機器人，可將醫生在病人體外的動(dòng)作精確傳遞到機械臂，轉化為手術(shù)器械在病人體內的動(dòng)作，從而完成以前很難完成的外科手術(shù)。盡管其價(jià)格高達數千萬(wàn)人民幣，但目前銷(xiāo)量已上千臺，由此可見(jiàn)，醫療機器人的市場(chǎng)前景十分廣闊。因此，機器人技術(shù)對醫療診斷業(yè)的引領(lǐng)作用表現在醫療儀器的家用化、便攜化、小型化和智能化，另一方面也表現在提高醫療診斷水平上。

　　第四，對儀器儀表業(yè)的引領(lǐng)作用。在儀器儀表行業(yè)中，機器人引領(lǐng)著(zhù)傳感器的研發(fā)和革命，為了達到甚至超越人類(lèi)五官的靈敏度和分辨率，機器人所使用的傳感器必須具有高質(zhì)量和多樣性。目前，味覺(jué)和嗅覺(jué)傳感器的研發(fā)最為滯后，此根本原因就在于過(guò)去對此類(lèi)傳感器的需求不夠，因此研發(fā)投入就少。機器人技術(shù)的發(fā)展，將會(huì )對此帶來(lái)直接需求。比如，目前已有的炒菜機器人僅能按照預定的程序實(shí)現烹飪，如果能夠加入味覺(jué)和嗅覺(jué)傳感器，則將會(huì )引起一場(chǎng)飲食革命——機器人可根據人的口味設定，自行地增加或減少各種作料，最終調節到最佳口味。

　　第五，對航空航天的引領(lǐng)作用。在航空航天產(chǎn)業(yè)中，機器人引領(lǐng)著(zhù)長(cháng)距離的空間探索以及航天器的低成本和自維護。機器人已成為空間探索不可缺少的工具，特別是在耗時(shí)長(cháng)、路程遠的深度空間探索中，如月球、火星探索，機器人已基本取代了人的作用。同時(shí)，在近地軌道空間中，用空間機器人對衛星進(jìn)行維護，或是直接將機器人技術(shù)運用到下一代衛星設計中形成智能衛星，已成為提高衛星壽命、降低使用成本和自我防衛能力的必經(jīng)之路。智能機器人在航天方面的引領(lǐng)作用不僅體現在對航天器的維護保養、提高性能上，而且開(kāi)辟了新一代航天器的發(fā)展途徑。

　　智能機器人對相關(guān)學(xué)科的引領(lǐng)作用

　　對產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)作用，僅體現了機器人在實(shí)際應用上的效果。但作為一種集成技術(shù)，任何一個(gè)機器人技術(shù)的突破都必須建立在單項技術(shù)的革命上。因此，大力發(fā)展智能機器人技術(shù)，必將帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，對學(xué)科的基礎研究同樣起著(zhù)重要的引領(lǐng)作用。

　　第一，圖像的理解。視覺(jué)是人類(lèi)獲取信息最重要的來(lái)源。人看到一幅圖像，馬上能夠理解圖像的內容和含義。然而，機器視覺(jué)并非易事?，F有的機器人主要還是以壓力傳感器、位置傳感器等工業(yè)傳感器為主，盡管機器人開(kāi)始有搭載攝像頭的趨勢，但對視覺(jué)的理解仍然較低，往往需要有明顯的特征點(diǎn)作為輔助，同時(shí)抗干擾能力弱，對光照條件，部分遮擋等常見(jiàn)問(wèn)題不能找到可靠的方法。機器人技術(shù)對圖像理解的要求是迫切的，也是急需的，它是保證機器人能夠工作于人類(lèi)生活環(huán)境的重要條件。因此，對智能機器人的研究勢必提高人類(lèi)對圖像的深入理解。人類(lèi)對圖像的理解十分基本也非常重要，目前已經(jīng)對許多領(lǐng)域(如醫學(xué)、氣象、航天等)產(chǎn)生了巨大的影響。

　　第二，人與機器的交互。機器人作為一種可以被稱(chēng)之為“人”的機器，必須具備和人交互的能力。人和人之間的交流，主要以語(yǔ)言為主，這就涉及到語(yǔ)音識別、語(yǔ)音合成、自然語(yǔ)言理解等眾多領(lǐng)域的研究。同時(shí)，機器人可配搭超過(guò)人類(lèi)感知能力以外的傳感器，可使得人機交互水平甚至高于人和人之間的交互水平。最典型的例子就是腦機接口，通過(guò)采集人的腦電波信號，利用信號處理、特征提取、模式分類(lèi)等技術(shù)，即可將其意圖進(jìn)行識別，并直接被機器人所理解。

　　第三，智能的描述。究竟什么是智能，智能在人腦中的儲存方式和表達方式是什么，如何描述智能等一些問(wèn)題既是哲學(xué)問(wèn)題、生理學(xué)問(wèn)題、認知學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也是機器人學(xué)問(wèn)題。人工智能的發(fā)展，已經(jīng)對智能作出了初步的描述，如符號主義、聯(lián)結主義、行為主義等。但這些研究以及基于這些研究的具體實(shí)現，目前都不能完美地表達智能存在的方式。智能提取是指如何去學(xué)習和獲得人類(lèi)已有的智慧，并通過(guò)具體的描述方式，讓機器人得以掌握，并根據新的數據自發(fā)地推理、派生和演化出新的知識。對于智能提取的研究，已經(jīng)誕生了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、統計學(xué)習、專(zhuān)家系統、模糊推理等多種智能提取和運算方法。為了讓機器人更加聰明，具有堪比人類(lèi)甚至超越人類(lèi)的智慧，必須加深智能本質(zhì)的研究。

　　第四，規劃與控制。機器人要獨立自主地完成工作，就必須對自身的行為進(jìn)行規劃和控制。規劃涉及到動(dòng)作規劃、任務(wù)分配、工作調度、工程優(yōu)化等，而控制涉及到姿態(tài)控制、運動(dòng)控制、能量控制等。目前，規劃和控制理論主要應用于工業(yè)、航天、軍事等領(lǐng)域，具有環(huán)境定義明確、工作任務(wù)結構化等特點(diǎn)。如何保證機器人能順利地工作于人類(lèi)日常生活環(huán)境，研究非結構化工作場(chǎng)景的智能規劃控制方法極為重要，在理論、算法研究、實(shí)際應用等多層面都極可能產(chǎn)生全新的成果。

　　第五，網(wǎng)絡(luò )的推廣。單一的機器人是分布式的工作節點(diǎn)。如果將機器人連接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，即可形成信息量大、功能強、任務(wù)復雜的大型網(wǎng)絡(luò )平臺。計算機網(wǎng)絡(luò )的實(shí)質(zhì)是信息的互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是全球實(shí)際資源的定位，而機器人網(wǎng)絡(luò )除了具有信息、資源互聯(lián)網(wǎng)，更增加了工作任務(wù)互聯(lián)、行為動(dòng)作互聯(lián)、決策管理互聯(lián)等更高層次的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。機器人網(wǎng)絡(luò )給人類(lèi)生活描繪了美好的前景，同時(shí)其順利實(shí)施也必須以網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為前提。這就要求網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性、安全性、穩定性都得到大幅度的提升，從而直接推廣了網(wǎng)絡(luò )的研發(fā)和應用。

　　迎接千家萬(wàn)戶(hù)的機器人時(shí)代

　　目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升機器人技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為機器人的應用范圍拓寬了道路。機器人的應用范圍已涵蓋國防、航空航天、服務(wù)、教育甚至普通家庭生活，一場(chǎng)新的機器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機業(yè)已到來(lái)。在這個(gè)承前啟后的關(guān)鍵時(shí)刻，讓我們先閉起眼睛，夢(mèng)想一下，下一代機器人到底會(huì )對我們的生活帶來(lái)怎樣的影響。

　　當人們每天為交通堵塞而苦惱時(shí)，人們夢(mèng)想有一種全自動(dòng)汽車(chē)可以將主人從家里送到辦公室，這是最安全、最節能、最省時(shí)的交通工具。全自動(dòng)汽車(chē)，實(shí)際上就是一個(gè)具有負載能力的移動(dòng)的機器人。其最終的目標是實(shí)現交通的自動(dòng)駕駛、零事故、最優(yōu)路徑選擇、智能交通管理。實(shí)現自動(dòng)駕駛要求機器人進(jìn)行駕駛員行為學(xué)習，這將引領(lǐng)機器學(xué)習理論的發(fā)展;零事故要求機器人進(jìn)行環(huán)境識別和運用車(chē)車(chē)通信等技術(shù)手段，這將引領(lǐng)圖像識別、故障診斷、車(chē)載通信等技術(shù);最優(yōu)路徑選擇，要求能按照地圖實(shí)現最佳的導航策略，這其中涉及地理信息系統、路徑規劃、優(yōu)化理論。

　　當人類(lèi)逐漸步入老齡化社會(huì )，人們夢(mèng)想是否有一種機器人老人伴侶，他能在家居環(huán)境中為老人的生活提供照顧，并對老人的生理狀況進(jìn)行監測，發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)報警。為監測生理狀況，就必須研發(fā)無(wú)創(chuàng )的生物傳感器，為照顧生活，就必須識別老人的意圖;為監測異常，就必須具有行為識別能力;為及時(shí)報警，就需要實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )通信。

　　上述兩例充分說(shuō)明了千家萬(wàn)戶(hù)的機器人時(shí)代將是人類(lèi)在可見(jiàn)的未來(lái)能實(shí)現的夢(mèng)想。加大對智能機器人科學(xué)的基礎研究，加強對機器人核心技術(shù)的攻關(guān)，培育機器人產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)前景，不僅能夠帶動(dòng)智能機器人技術(shù)本身的發(fā)展，同時(shí)也必將引領(lǐng)其他相關(guān)高新技術(shù)的發(fā)展和壯大。

　　讓我們舉起雙手，迎接千家萬(wàn)戶(hù)的機器人時(shí)代來(lái)臨吧!