徐揚生院士：智能機器人引領(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(xiàn)為簡單的操作手，其任務(wù)是抓取部件，進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)中機器人和機器人構(gòu)成的流水線。在這一階段，機器人代替人工作，降低工人的勞動強度及技能要求，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，空間機器人應(yīng)運而生。其主要任務(wù)是在太空環(huán)境下對航天器表面進行檢測和維修?？臻g機器人不再工作于結(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行感知和判斷。

　　在復(fù)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作用，使機器人技術(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、人工智能、控制和圖像處理等學(xué)科的突飛猛進，為機器人的高度智能化奠定了基礎(chǔ)。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)機器人產(chǎn)業(yè)。比如，在家庭醫(yī)療監(jiān)護方面，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進行智能判斷或提交醫(yī)護人員，及時報警、提早診斷，達到“治未病”的效果。同時，醫(yī)療機器人還可幫助醫(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，機器人可像一個管家一樣對家居生活進行全方面的照顧，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。

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

　　感知功能：機器人信息的輸入，就像人的五官負責(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)，前者負責(zé)將實際世界的物理特性轉(zhuǎn)換為機器人可理解的數(shù)字量，而后者則負責(zé)將數(shù)字量快速、無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(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)行機構(gòu)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)有著顯著的特征。

　　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，機器人還十分笨拙、聰明度很低，尚需改進。

　　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，而任何一個單一技術(shù)的突破，都可為機器人技術(shù)帶來革命性的轉(zhuǎn)變。例如MEMS技術(shù)的發(fā)展，使機器人小型化成為現(xiàn)實，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)要求實時性。不管是早期的工業(yè)機器人，還是現(xiàn)在的空間機器人、服務(wù)機器人，都要求對現(xiàn)實情況作出快速的反應(yīng)。機器人的工作，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，并且這一交流過程越自然越好。

　　第五，機器人技術(shù)是平臺技術(shù)，能帶來極大的平臺效應(yīng)。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)，就能變成特定的機器人。例如，將機器人配置為駕駛員，則可實現(xiàn)無人駕駛車，將機器人設(shè)計為飛行員，即為無人機。

　　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(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，與傳統(tǒng)家電相比，服務(wù)機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。一個機器人是由眾多電子元件搭建而成，用戶對機器人的高要求，實際上就轉(zhuǎn)化為對電子元件的高要求;機器人市場的擴大，實質(zhì)上也必將帶動電子元件市場的擴大。同時，機器人的智能技術(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，機器人引領(lǐng)著家庭監(jiān)護的普及和醫(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)護的廣闊市場。機器人技術(shù)集成了生理參數(shù)采集，生理指標判斷，遠程醫(yī)療等各種功能，將成為未來家庭生活的必備產(chǎn)品。同時，將機器人運用于手術(shù)過程，可輔助醫(yī)生提高動作的穩(wěn)定性、精確度、靈活性。例如達芬奇手術(shù)機器人，可將醫(yī)生在病人體外的動作精確傳遞到機械臂，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)。盡管其價格高達數(shù)千萬人民幣，但目前銷量已上千臺，由此可見，醫(yī)療機器人的市場前景十分廣闊。因此，機器人技術(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，機器人引領(lǐng)著傳感器的研發(fā)和革命，為了達到甚至超越人類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。機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，在近地軌道空間中，用空間機器人對衛(wèi)星進行維護，或是直接將機器人技術(shù)運用到下一代衛(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，機器視覺并非易事?，F(xiàn)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，人與機器的交互。機器人作為一種可以被稱之為“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，機器人可配搭超過人類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題既是哲學(xué)問題、生理學(xué)問題、認知學(xué)問題，同時也是機器人學(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算方法。為了讓機器人更加聰明，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。機器人要獨立自主地完成工作，就必須對自身的行為進行規(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。單一的機器人是分布式的工作節(jié)點。如果將機器人連接成為一個網(wǎng)絡(luò)，即可形成信息量大、功能強、任務(wù)復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)平臺。計算機網(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(yīng)用范圍拓寬了道路。機器人的應(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，一場新的機器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機業(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載能力的移動的機器人。其最終的目標是實現(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)自動駕駛要求機器人進行駕駛員行為學(xué)習(xí)，這將引領(lǐng)機器學(xué)習(xí)理論的發(fā)展;零事故要求機器人進行環(huán)境識別和運用車車通信等技術(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。加大對智能機器人科學(xué)的基礎(chǔ)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)的市場前景，不僅能夠帶動智能機器人技術(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，迎接千家萬戶的機器人時代來臨吧!