徐揚(yáng)生院士：智能機(jī)器人引領(lǐng)高新技術(shù)發(fā)展

　　在人類歷史上，當(dāng)某種技術(shù)被全力推進(jìn)時，往往會催生一大批相關(guān)的高新技術(shù)。

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

　　機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與基本元素

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

　　隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間機(jī)器人應(yīng)運(yùn)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。空間機(jī)器人不再工作于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境、完成既定的任務(wù)，它隨時隨地需要對周圍工況進(jìn)行感知和判斷。

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

　　近20年來，微電子、通信、計算機(jī)、人工智能、控制和圖像處理等學(xué)科的突飛猛進(jìn)，為機(jī)器人的高度智能化奠定了基礎(chǔ)。機(jī)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的助手和伴侶，在生活、健康、娛樂等多方面對人類提供服務(wù)，由此產(chǎn)生了巨大的服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。比如，在家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面，普通家庭往往只有一個溫度計，必須等到病征明顯才能發(fā)現(xiàn)疾病。醫(yī)療機(jī)器人可工作于家庭環(huán)境，對用戶的生理狀況做自動測量并對生理指標(biāo)進(jìn)行智能判斷或提交醫(yī)護(hù)人員，及時報警、提早診斷，達(dá)到“治未病”的效果。同時，醫(yī)療機(jī)器人還可幫助醫(yī)生實現(xiàn)復(fù)雜的手術(shù)，減小創(chuàng)口、擴(kuò)展視野、提高靈敏度和可控性。再如，在家庭服務(wù)方面，機(jī)器人可像一個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，并在主人離開時，實現(xiàn)家庭監(jiān)控。在這一階段，機(jī)器人的工作對象發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，由物及人，成為人類的朋友和伙伴。

　　盡管機(jī)器人種類千差萬別、任務(wù)多種多樣，但從機(jī)器人科學(xué)技術(shù)的本質(zhì)上來說，主要包含三個基本要素，即感知、決策和動作。

　　感知功能：機(jī)器人信息的輸入，就像人的五官負(fù)責(zé)采集工作環(huán)境的數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)將實際世界的物理特性轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可理解的數(shù)字量，而后者則負(fù)責(zé)將數(shù)字量快速、無誤地傳遞到機(jī)器人的決策層。

　　決策功能：機(jī)器人智能性的表現(xiàn)，就像人的大腦對感知到的信息作出判斷并為下一步動作發(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(jī)器人能夠?qū)崟r地、閉環(huán)地處理各類工況，而不僅僅是完全按照預(yù)定程序進(jìn)行開環(huán)執(zhí)行。

　　動作功能：決策器的命令必須得到執(zhí)行，而執(zhí)行需要由一系列動作來得以實現(xiàn)，就像人的運(yùn)動系統(tǒng)在大腦的命令下產(chǎn)生實際動作一樣。實現(xiàn)動作功能的主要技術(shù)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)，包括手臂、手爪、移動平臺、驅(qū)動器，同時也涵蓋了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器，如電機(jī)控制器、壓力控制器等等。

　　智能機(jī)器人技術(shù)的特征

　　機(jī)器人科學(xué)與技術(shù)有著顯著的特征。

　　首先，機(jī)器人技術(shù)是智能技術(shù)。智能性是機(jī)器人的核心，這也是機(jī)器人之所以能夠稱之為“人”的主要原因。智能性表現(xiàn)為對工作環(huán)境的自動識別與判斷，其工作指令根據(jù)反饋信息自動生產(chǎn)，而不是基于開環(huán)設(shè)計。智能性也是機(jī)器人技術(shù)的難點，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(jī)器人還十分笨拙、聰明度很低，尚需改進(jìn)。

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

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

　　第四，機(jī)器人技術(shù)是交互技術(shù)。機(jī)器人是人類的朋友和伙伴，就必須能夠理解人的意圖和思想，就必須實現(xiàn)與人和社會的交流。例如語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)，就是幫助機(jī)器人“聽”懂人類的語言，并將自己的回應(yīng)轉(zhuǎn)化為語音“說”給人類聽。人機(jī)交互技術(shù)的本質(zhì)就是讓機(jī)器人具有與人交流的能力，并且這一交流過程越自然越好。

　　第五，機(jī)器人技術(shù)是平臺技術(shù)，能帶來極大的平臺效應(yīng)。機(jī)器人技術(shù)是仿人技術(shù)，人能做什么，機(jī)器人就能做什么。因此，機(jī)器人技術(shù)實際上是一個技術(shù)平臺，搭配什么樣的任務(wù)，就能變成特定的機(jī)器人。例如，將機(jī)器人配置為駕駛員，則可實現(xiàn)無人駕駛車，將機(jī)器人設(shè)計為飛行員，即為無人機(jī)。

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

　　機(jī)器人技術(shù)整合各領(lǐng)域的研究成果，有機(jī)集成各領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并且應(yīng)用范圍廣泛，因此，對現(xiàn)代化的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有著極其重要的引領(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(jī)器人引領(lǐng)著更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。目前，我國工業(yè)競爭力主要來自于廉價的勞動力資源，形成了眾多粗放型、勞動密集型產(chǎn)業(yè)。然而，此發(fā)展模式的弊端日益凸顯。一方面，隨著國民收入的增長，我國的勞動力成本逐年增加，相對于越南、馬來西亞、泰國等東南亞國家而言，已無優(yōu)勢。另一方面，此模式導(dǎo)致我國長期處于產(chǎn)業(yè)價值鏈末端，以加工業(yè)為主體，附加價值小，抗風(fēng)險能力差。因此，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與升級、變“中國制造”為“中國創(chuàng)造”迫在眉睫。機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中具體表現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)流水線和各類智能設(shè)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。只有擁有高精度、高可靠性的工業(yè)機(jī)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，高質(zhì)量的服務(wù)機(jī)器人需要高質(zhì)量的機(jī)械元器件，包括微型電機(jī)、傳感器等。機(jī)器人的高速發(fā)展將要求這些機(jī)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(jī)器人引領(lǐng)著電子產(chǎn)品的性能和需求。服務(wù)機(jī)器人最終將成為一種家用電子產(chǎn)品，正如洗衣機(jī)、冰箱一樣。同時，與傳統(tǒng)家電相比，服務(wù)機(jī)器人是種類繁多的電子產(chǎn)品，不僅有老人或小孩專用的，也有工人專用的，不僅有家庭專用的，也有社區(qū)專用的。一個機(jī)器人是由眾多電子元件搭建而成，用戶對機(jī)器人的高要求，實際上就轉(zhuǎn)化為對電子元件的高要求;機(jī)器人市場的擴(kuò)大，實質(zhì)上也必將帶動電子元件市場的擴(kuò)大。同時，機(jī)器人的智能技術(shù)與電子產(chǎn)品相結(jié)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。

　　第三，對醫(yī)療診斷業(yè)的引領(lǐng)作用。在醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)中，機(jī)器人引領(lǐng)著家庭監(jiān)護(hù)的普及和醫(yī)療水平、生活水平的提高。其第一表現(xiàn)就是健康水平的提高，人們對健康的重視，必將帶來家庭監(jiān)護(hù)的廣闊市場。機(jī)器人技術(shù)集成了生理參數(shù)采集，生理指標(biāo)判斷，遠(yuǎn)程醫(yī)療等各種功能，將成為未來家庭生活的必備產(chǎn)品。同時，將機(jī)器人運(yùn)用于手術(shù)過程，可輔助醫(yī)生提高動作的穩(wěn)定性、精確度、靈活性。例如達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，可將醫(yī)生在病人體外的動作精確傳遞到機(jī)械臂，轉(zhuǎn)化為手術(shù)器械在病人體內(nèi)的動作，從而完成以前很難完成的外科手術(shù)。盡管其價格高達(dá)數(shù)千萬人民幣，但目前銷量已上千臺，由此可見，醫(yī)療機(jī)器人的市場前景十分廣闊。因此，機(jī)器人技術(shù)對醫(yī)療診斷業(yè)的引領(lǐng)作用表現(xiàn)在醫(yī)療儀器的家用化、便攜化、小型化和智能化，另一方面也表現(xiàn)在提高醫(yī)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(jī)器人引領(lǐng)著傳感器的研發(fā)和革命，為了達(dá)到甚至超越人類五官的靈敏度和分辨率，機(jī)器人所使用的傳感器必須具有高質(zhì)量和多樣性。目前，味覺和嗅覺傳感器的研發(fā)最為滯后，此根本原因就在于過去對此類傳感器的需求不夠，因此研發(fā)投入就少。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，將會對此帶來直接需求。比如，目前已有的炒菜機(jī)器人僅能按照預(yù)定的程序?qū)崿F(xiàn)烹飪，如果能夠加入味覺和嗅覺傳感器，則將會引起一場飲食革命——機(jī)器人可根據(jù)人的口味設(shè)定，自行地增加或減少各種作料，最終調(diào)節(jié)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(jī)器人引領(lǐng)著長距離的空間探索以及航天器的低成本和自維護(hù)。機(jī)器人已成為空間探索不可缺少的工具，特別是在耗時長、路程遠(yuǎn)的深度空間探索中，如月球、火星探索，機(jī)器人已基本取代了人的作用。同時，在近地軌道空間中，用空間機(jī)器人對衛(wèi)星進(jìn)行維護(hù)，或是直接將機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用到下一代衛(wèi)星設(shè)計中形成智能衛(wèi)星，已成為提高衛(wèi)星壽命、降低使用成本和自我防衛(wèi)能力的必經(jīng)之路。智能機(jī)器人在航天方面的引領(lǐng)作用不僅體現(xiàn)在對航天器的維護(hù)保養(yǎng)、提高性能上，而且開辟了新一代航天器的發(fā)展途徑。

　　智能機(jī)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(xiàn)了機(jī)器人在實際應(yīng)用上的效果。但作為一種集成技術(shù)，任何一個機(jī)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(jī)器人技術(shù)，必將帶動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，對學(xué)科的基礎(chǔ)研究同樣起著重要的引領(lǐng)作用。

　　第一，圖像的理解。視覺是人類獲取信息最重要的來源。人看到一幅圖像，馬上能夠理解圖像的內(nèi)容和含義。然而，機(jī)器視覺并非易事?，F(xiàn)有的機(jī)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(jī)器人開始有搭載攝像頭的趨勢，但對視覺的理解仍然較低，往往需要有明顯的特征點作為輔助，同時抗干擾能力弱，對光照條件，部分遮擋等常見問題不能找到可靠的方法。機(jī)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(jī)器人能夠工作于人類生活環(huán)境的重要條件。因此，對智能機(jī)器人的研究勢必提高人類對圖像的深入理解。人類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(yī)學(xué)、氣象、航天等)產(chǎn)生了巨大的影響。

　　第二，人與機(jī)器的交互。機(jī)器人作為一種可以被稱之為“人”的機(jī)器，必須具備和人交互的能力。人和人之間的交流，主要以語言為主，這就涉及到語音識別、語音合成、自然語言理解等眾多領(lǐng)域的研究。同時，機(jī)器人可配搭超過人類感知能力以外的傳感器，可使得人機(jī)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(jī)接口，通過采集人的腦電波信號，利用信號處理、特征提取、模式分類等技術(shù)，即可將其意圖進(jìn)行識別，并直接被機(jī)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(dá)方式是什么，如何描述智能等一些問題既是哲學(xué)問題、生理學(xué)問題、認(rèn)知學(xué)問題，同時也是機(jī)器人學(xué)問題。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(jié)主義、行為主義等。但這些研究以及基于這些研究的具體實現(xiàn)，目前都不能完美地表達(dá)智能存在的方式。智能提取是指如何去學(xué)習(xí)和獲得人類已有的智慧，并通過具體的描述方式，讓機(jī)器人得以掌握，并根據(jù)新的數(shù)據(jù)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(tǒng)計學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、模糊推理等多種智能提取和運(yùn)算方法。為了讓機(jī)器人更加聰明，具有堪比人類甚至超越人類的智慧，必須加深智能本質(zhì)的研究。

　　第四，規(guī)劃與控制。機(jī)器人要獨(dú)立自主地完成工作，就必須對自身的行為進(jìn)行規(guī)劃和控制。規(guī)劃涉及到動作規(guī)劃、任務(wù)分配、工作調(diào)度、工程優(yōu)化等，而控制涉及到姿態(tài)控制、運(yùn)動控制、能量控制等。目前，規(guī)劃和控制理論主要應(yīng)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(jié)構(gòu)化等特點。如何保證機(jī)器人能順利地工作于人類日常生活環(huán)境，研究非結(jié)構(gòu)化工作場景的智能規(guī)劃控制方法極為重要，在理論、算法研究、實際應(yīng)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(jī)器人是分布式的工作節(jié)點。如果將機(jī)器人連接成為一個網(wǎng)絡(luò)，即可形成信息量大、功能強(qiáng)、任務(wù)復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)平臺。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的實質(zhì)是信息的互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是全球?qū)嶋H資源的定位，而機(jī)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(jī)器人網(wǎng)絡(luò)給人類生活描繪了美好的前景，同時其順利實施也必須以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為前提。這就要求網(wǎng)絡(luò)的實時性、安全性、穩(wěn)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(yīng)用。

　　迎接千家萬戶的機(jī)器人時代

　　目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升機(jī)器人技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為機(jī)器人的應(yīng)用范圍拓寬了道路。機(jī)器人的應(yīng)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，一場新的機(jī)器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機(jī)業(yè)已到來。在這個承前啟后的關(guān)鍵時刻，讓我們先閉起眼睛，夢想一下，下一代機(jī)器人到底會對我們的生活帶來怎樣的影響。

　　當(dāng)人們每天為交通堵塞而苦惱時，人們夢想有一種全自動汽車可以將主人從家里送到辦公室，這是最安全、最節(jié)能、最省時的交通工具。全自動汽車，實際上就是一個具有負(fù)載能力的移動的機(jī)器人。其最終的目標(biāo)是實現(xiàn)交通的自動駕駛、零事故、最優(yōu)路徑選擇、智能交通管理。實現(xiàn)自動駕駛要求機(jī)器人進(jìn)行駕駛員行為學(xué)習(xí)，這將引領(lǐng)機(jī)器學(xué)習(xí)理論的發(fā)展;零事故要求機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境識別和運(yùn)用車車通信等技術(shù)手段，這將引領(lǐng)圖像識別、故障診斷、車載通信等技術(shù);最優(yōu)路徑選擇，要求能按照地圖實現(xiàn)最佳的導(dǎo)航策略，這其中涉及地理信息系統(tǒng)、路徑規(guī)劃、優(yōu)化理論。

　　當(dāng)人類逐漸步入老齡化社會，人們夢想是否有一種機(jī)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(jiān)測，發(fā)生異常時，及時報警。為監(jiān)測生理狀況，就必須研發(fā)無創(chuàng)的生物傳感器，為照顧生活，就必須識別老人的意圖;為監(jiān)測異常，就必須具有行為識別能力;為及時報警，就需要實時網(wǎng)絡(luò)通信。

　　上述兩例充分說明了千家萬戶的機(jī)器人時代將是人類在可見的未來能實現(xiàn)的夢想。加大對智能機(jī)器人科學(xué)的基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)對機(jī)器人核心技術(shù)的攻關(guān)，培育機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的市場前景，不僅能夠帶動智能機(jī)器人技術(shù)本身的發(fā)展，同時也必將引領(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，迎接千家萬戶的機(jī)器人時代來臨吧!