共融機器人研究和應用前景廣闊

丁  漢  陶  波

2020年07月07日08:38  來源:人民網-人民日報
 

 

  自上世紀50年代第一台機器人發明至今,機器人技術不斷進步,昔日科幻作品對機器人的許多想象已成現實。比如,人類已制造出螞蟻、蝴蝶、飛天水母等形形色色的仿生機器人,能夠做出高難度體操動作的人形機器人,能夠表現出超過62種面部表情的機器人,等等。隨著智能傳感、人工智能、大數據等技術快速發展,機器人不斷被賦予與環境交互、模仿人類甚至自主學習等新技能。

  當前,在產業升級、健康服務、國防安全、太空探索、科考與資源開發等關乎人類未來的領域,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先發展的產業技術行列。

  超越三大歷史階段,共融機器人領跑未來

  回顧歷史,機器人的發展大致經歷三個階段。第一代機器人相當於“遙控操作器”,由人操作機械進行挖掘、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離線編好的程序自動重復完成操作,目前工業生活中常見的工業機器人就是這一類﹔第三代機器人是智能機器人,可通過各種傳感器獲取環境信息,利用智能技術進行識別、理解、推理並作出規劃決定,屬於可自主行動、實現預定目標的交互機器人。工業領域中負責搬運、焊接與裝配等任務的工業機器人、服務行業中的掃地機器人和炒菜機器人等都屬此類。

  機器人雖已廣泛應用於國民生活和經濟各領域,但其靈活性和智能決策能力等方面尚顯不足。比如,工業機器人感知能力較弱,隻能在穩定的環境中工作,即主要在結構化環境中執行各類確定性任務,否則就容易出錯甚至傷人毀物。這就是為什麼工業機器人經常“單兵作戰”,甚至需要防護網將機器人作業區和工人作業區分開。服務機器人是應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、人機協調合作能力不足、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、軍事戰場、受災地域等危險區域執行任務的重要工具,但存在過度依賴編程和人類遠程操作、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,是未來機器人的發展方向——共融機器人應運而生。

  實現“共融”目標,需要機器人技術多層面革新

  共融機器人,是指能與作業環境、人、其他機器人自然交互,自主適應復雜動態環境並協同作業的機器人。“共融”具體包含三層含義:一是機器人與環境的自然交互。傳統機器人在特定區域工作,目標簡單、對象單一,但在實際生產生活中很難有如此純粹的環境。讓機器人走出車間,走進山地、雪地,來到人來人往的街道,甚至讓機器人和人一起在動態環境中協同作業,是共融機器人的第一重目標。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賽車服務人員可以在兩秒內更換一個輪胎,一台復雜的內科手術需要多位醫生和護士協作。機器人如何通過多“人”協作以實現單體能力的突破呢?這就是共融機器人發展的第二重目標,實現機器人之間的協作、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同作業。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”。人是復雜的、動態的,和人協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。

  為實現以上與環境,與其他機器人,與人類共存、共事、共融的目標,機器人需要在“身體”“感知”和“意識”上進行革新。

  機器人的結構要更加柔軟,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”。比如工業機器人要滿足銑、鑽、拋、磨、削等制造任務需求,需要機器人結構具備更大的自由度和更強的順應性,以實現曲面適應、柔順抓取等功能。醫療康復、助老助殘等應用,則更要求機器人結構從剛體、剛柔耦合發展為柔體、軟體甚至流變體,以更好地適應使用者,保護使用者。

  機器人的感知系統要更加靈活多樣,實現多模態融合。人類之所以能夠適應各種環境,離不開人類對不同環境的敏銳感知力。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傳感器這麼簡單,還有信號傳輸、運算、識別等許多工作要做。很多情況下,要識別外部環境的情況、他人的意圖,需要多種模態信號的融合處理,需要機器人實時感知、理解甚至不斷學習才能實現。

  機器人群體協作溝通能力要更強、更自然。隨著單個機器人感知能力的提升,以及機器人集群數量和形式的增加,機器人群體之間的信息溝通、獨立智能和分布協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布式操作系統構架,來突破共融機器人的系統瓶頸。

  共融機器人是機器人學科和技術發展重要方向,助力人類創造美好生活

  共融機器人積極呼應社會發展需求和國家戰略需求,是我國機器人學科和技術發展重要方向。可以預見的是,隨著先進制造技術、信息技術以及人工智能技術的創新與發展,機器人制造水平將越來越高,“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”型機器人將創造各種功能強大的智能制造裝備,協助提升“中國制造”品質和“中國創造”影響力,實現制造業的轉型升級。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、航天器,小至電子零件的各種生產制造需求,現有的搬運、碼垛、焊接機器人將獲得新的提升和改進。

  “聰敏體貼”型機器人將進入人類日常工作和生活,如康復機器人、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,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”,採用柔性結構的穿戴式機器人將更好地和使用者的身體相適應,工廠中的協作機器人也能做到不打擾更不傷害勞動者。

  “分工合作”型機器人將出現在各種特殊環境中,應用於搶險救災、深海探索和國防安全等領域。這類機器人體型多樣,不管環境空間狹小還是廣袤,都可以通過分工合作,有效拓展和控制范圍,完成重型操作任務。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,從而積極適應災難場景和突發情況。

  縱觀科技發展史,機械設備是對人類四肢的延展,計算機是對人類大腦的拓展,機器人則是對人類綜合能力的模仿,是具有感知、認知和自主行動能力的智能化裝備。共融機器人則進一步提高感知、推理、決策、學習等智能活動能力,組成一個可以和環境,甚至和人類進行自然交互的系統。為促進共融機器人基礎理論和關鍵技術的研究,2016年國家自然科學基金委員會發布“共融機器人的基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃。該計劃瞄准國際機器人研究前沿,面向國家重大戰略及民生需求,通過機械、信息、力學、材料和生物等學科深度交叉與融合,開展面向共融機器人結構與驅動、感知與交互、智能與控制的共性基礎研究,力圖在剛—柔—軟耦合柔順結構設計與動力學、多模態環境感知與人體互適應協作、群體智能與分布式機器人操作系統等基礎理論和共性關鍵技術的源頭創新上取得突破。

  在共融機器人基礎理論與關鍵技術研究道路上,相信我們將培育出一批具有國際影響力的中青年學術骨干和帶頭人,在探索中不斷提升我國機器人研究整體創新能力和國際影響力。

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

(責編:趙超、呂騫)