人機共生時代的機器人設計與探索

丁寧

機器人設計要以人為本，人的需求是未來城市發(fā)展的根本動力，應借助機器人技術與產品以新模式、新機制解放人的需求。未來機器與人應當是一種“共生關系”，在機器人研究與發(fā)展中，要做到以人為本，人機和諧發(fā)展。

2018年機器人行業(yè)發(fā)生了很多重要事件。6月29日，本田公司宣布停止研發(fā)著名的人形機器人Asimo;10月4日，由于市場達不到預期，Rethink Robotics公司宣布停止運營;2018年上半年，波士頓動力公司也提出要開始啟動仿生四足機器人SpotMini的商業(yè)化行動，而在此之前，大家一直都在揣度那幾款運動性能驚人的“大狗”和“Atlas雙足機器人”究竟賣給誰。從2015年至今，經歷了3年多的機器人熱潮開始出現(xiàn)部分明星企業(yè)倒閉，以及機器人企業(yè)方向的大幅調整等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象讓人驚訝之余，很多業(yè)內人士也表示，這既是意料之外，也是情理之中。高端機器人產品落地難，那么癥結究竟在哪里？如何有效地開展機器人產品的頂層設計？如何讓這類產品擁有持續(xù)的生命力，能夠像人們期待的那樣，在各個領域都得到廣泛的應用？這需要梳理機器人與人、與社會的關系之后，再回過頭反思機器人技術有哪些特性？機器人究竟是什么？

機器人技術的起源是來自于人類想要制造一種具備人類自身能力的機器。因此，機器人產品的技術路線就是“仿生”，即仿人或生物的感知能力、運動能力、思維能力、材料特性、群體協(xié)作等，在這個過程中，由模仿到認識機理，再到提升超越，也可以說由“仿生”進而“超生”。同時，我們也發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)的精妙深邃之處，例如，肌肉既是驅動單元，也是高效的長期儲能系統(tǒng)，還是可變參數(shù)的柔性防護系統(tǒng)。

成本投入與價值輸出的平衡

機器人技術是具備“感知”、“認知”以及“運動”三種技術特征的系統(tǒng)集成技術，具備一定的生物屬性。這些能力雖使得機器人系統(tǒng)變得復雜、成本激增，故障率也大幅增加，但其目的是讓機器人能夠在更為復雜多變環(huán)境中自主地完成特定任務。這種“自主性”，基于對復雜環(huán)境的感知與適應能力和對動態(tài)目標的識別跟蹤與實時動作響應，使得機器人在工作時大幅減少人工干預，減少對作業(yè)場景改造和屏蔽干擾，總體上實現(xiàn)更優(yōu)的投入產出比，提高了勞動生產率，這也是所有技術和創(chuàng)新追求的基本目標。

成本與價值核算是所有產品設計首先要考量的指標，包括機器人產品。造價百萬美元的Asimo如果只能端茶送水是沒有銷售市場的。從成本結構上來看機器人產品，盡管機器人的運行成本低，主要是消耗電能，但其實現(xiàn)/制造成本極高。除工業(yè)機器人之外，大部分機器人技術發(fā)展尚處于早期、產業(yè)生態(tài)不完善、零部件依靠定制。同時，其使用成本也非常高，由于功能不完善，導致現(xiàn)場工程、后期維護的長期投入極大。而機器人能夠產生的社會價值卻與期望落差極大，由于應用場景的多樣化、碎片化，功能細分、市場規(guī)模小，從而導致機器人市場體量與機器人產品的投入不能匹配，基本的商業(yè)邏輯很難成立。

因此，當前階段的機器人產品設計，從價值輸出的角度，一方面盡可能約束應用場景，尋求高附加值的需求，同時跨場景挖掘共性需求，以聚集價值輸出擴大市場空間。從成本投入的角度，一方面采用成熟的零部件和生產工藝，以降低實現(xiàn)/制造成本。這個環(huán)節(jié)非常考驗本體機構和系統(tǒng)級的集成優(yōu)化設計。另一方面，做好全生命周期成本規(guī)劃，降低長期使用/維護成本，由此找到成本投入與價值輸出的平衡。而在所需要的關鍵技術未成熟之前，等待或尋求其他方式，盲目使用未成熟技術將導致后續(xù)使用成本激增。那么當前，哪些機器人技術是可用的？其發(fā)展路線是什么？

從體力與智力兩類能力來看，機器人的體力，體現(xiàn)在執(zhí)行能力，例如移動和操作能力、信息傳輸、計算與交互，以及能量的轉化輸出能力，這是機器擅長的。而智力方面，則體現(xiàn)在應變能力，這是人類所擅長的，例如對動態(tài)的非結構化環(huán)境的適應和舉一反三的學習與泛化能力。體力方面，機器人的運動能力在從植物型向動物型進化。例如工業(yè)機械臂，逐漸開始搭載在移動平臺上作業(yè)，工作空間大幅提升，同時對環(huán)境的感知和人機協(xié)同的能力要求大幅提升。動物型的機器人對自身智力水平提出了躍升的需求。未來機器人會向類人型和超人型進化。相應地，智力開始由類似于植物神經系統(tǒng)的自動化技術，推進到當前的弱人工智能階段，進而是類人型機器人將具備的強人工智能和未來的超人工智能或者是獨立意識。對機器人智能水平的發(fā)展預測和想象造成了人類恐慌，讓人對機器人的發(fā)展存疑，我們是否有必要推進機器人技術？人與機器人的關系到底是什么？

人機共生是設計機器人產品的核心

站在人類立場上，機器人的存在意義就是能夠“為人民服務”，機器人技術從一開始就是為了將人從繁重、危險、無趣的社會角色中解脫出來而產生的，來自人的各層面的需求推動這類技術的發(fā)展與應用。機器人具備鮮明的工具屬性以及行業(yè)屬性，各行業(yè)的裝備在未來都將具備機器人技術屬性。由于其大幅提高生產率的能力，其經濟屬性和社會屬性也非常強。由于其自主性，可以實現(xiàn)無人干預的生產，則未來參與到社會分工中，與人類社會共存共融、互利共生。而實現(xiàn)這一目標的前提是，機器人智能發(fā)展的水平約束在弱人工智能階段。因為我們對自身智能、獨立意識的生成機理了解甚少，盲目推進到強人工智能是非常危險且不可控的。在此之前，將機器人約束在動物型，將智能技術發(fā)展保持在弱人工智能階段，將極大地緩和機器人與人在倫理層面上的沖突，從而實現(xiàn)人與機器人互利共生的關系。人機共生關系的設計是機器人產品的核心理念，從成本價值核算到人機社會分工關系、從功能定位到技術實現(xiàn)，多個層面綜合考量以得到更有生命力的產品。

這種共生關系體現(xiàn)為機器人在城市發(fā)展的各個領域發(fā)揮作用。城市是人類社會文明和需求的載體，城市化是不可逆過程中產生大量的需求，推動對機器人與智能技術的進步。城市發(fā)展初期的基礎是工業(yè)，特別是高端制造業(yè)，例如汽車產品，數(shù)萬零部件從螺絲到車架流水線組裝的需求孕育了工業(yè)機械臂，而汽車工業(yè)長達百年的發(fā)展、豐厚的持續(xù)性收益，保障了這項技術從理論基礎到核心部件，再到產品體系發(fā)展成熟。城市發(fā)展到中期，維系城市生存的各類基礎設施，例如電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、集約化農場以及城市服務體系，例如安防、醫(yī)療、應急救援等的規(guī)模和面對的難題的等級都大幅增加，已逐步超出人工管理能力的范疇，對于機器人智能裝備的需求非常迫切，城市的長期發(fā)展也將提供機器人裝備技術進化至成熟的基礎。未來，電力、安防、礦業(yè)、核工業(yè)等專業(yè)服務/特種機器人方向將發(fā)展甚至超過當前工業(yè)機器人的規(guī)模。從技術上看，這類為城市解決急難險重痛點的機器人裝備，在理論基礎、核心部件可能與傳統(tǒng)工業(yè)機器人有很大不同，例如人工肌肉、柔性部件、剛柔耦合、超冗余結構等，利用我國市場優(yōu)勢，提前布局新領域，有利于在學術、產業(yè)和標準上占據(jù)先機，形成引領優(yōu)勢。

我國城市建設經過高速發(fā)展40年，各類基礎設施開始飽和。據(jù)2016年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前我國管道、管網(wǎng)達到192萬公里，4000公里的地下管廊，400萬座基站鐵塔，170萬公里35kV以上高壓輸電線路，120萬座市政/公路/鐵路橋梁，760座200米高度以上的大樓。各類設施在未來的10-20年逐步進入生命周期的中后期，也是危害高發(fā)的維護管養(yǎng)階段，需要特種作業(yè)機器人輔助，替代人在大量高危工作環(huán)境中開展健康檢測、維修與應急處置和設備設施退役的工作。那么，是不是研究一款機器人可以搭載專用儀器設備在設施內外部進行自由攀爬移動，實現(xiàn)自動檢測、維修就可以了呢？事實上，這是功能設計為核心的傳統(tǒng)產品設計思路。

當機器人產品具備生物屬性，具備自主移動和作業(yè)能力，在城市環(huán)境中與人共存共生時，我們應當把解決機器人長期自主生存作為首要解決的問題，比如考慮提供便利的能源系統(tǒng)，實現(xiàn)能源自給自足;適用于機器人控制與音視頻的寬窄帶融合通信基礎設施;符合“機器人人因工程”獨立的工作空間與作業(yè)環(huán)境等。其次，再考慮機器人自主作業(yè)的能力。在功能上，著重考慮實現(xiàn)機器人擅長的體力和弱人工智能，利用“小聰明”解決好具體的剛需小問題。最后，還要評估交互、業(yè)務系統(tǒng)的融合、商業(yè)模式設計等。例如，高壓輸電線路的在線攀爬巡檢機器人，我們在下一代設計時，首要考慮的是機器人如何能夠自主地通過磁場感應、太陽能以及能源中繼等盡可能獲取積累有限的能源。其次，再考慮基于這樣有限能源的約束，機器人應該怎么運動和作業(yè)，可能作業(yè)能力、攀爬速度都大打折扣，但這樣不再需要維護人員頻繁地把設備在高壓線上搬上搬下，大幅減少了使用成本。由于能量約束，機器人就不能像猿猴一樣靈活地在線上快速攀越，而只能像毛毛蟲般慢慢蠕動攀爬。最后，再研究在線作業(yè)機器人的材料壽命、零部件抗電磁干擾等。

如此，機器人從輸電線路上獲取生存能源，又為輸電線路提供檢修服務，從而形成一種互利共生關系，而機器人的本體形態(tài)、運動策略與智能屬性與能源獲取能力及效率是相互制約、促進的耦合關系?？傮w上，形成了基于生存條件約束的全局優(yōu)化設計框架，這是生存在城市森林中的機器人和參與到城市的能量轉換體系的指導原則。要進一步推進這種共生關系，標準建設的工作非常關鍵。例如，早期地下電力管廊巡檢主要采用輪式、履帶式機器人，設備復雜且可達性不強。而近年來，綜合管廊的巡檢主要采用吊軌式，機器人倒掛在管廊頂部安裝好的軌道上移動巡檢，這種方式大幅降低了設備成本和復雜度，提高了可靠性和巡檢效率。這種方式需要設計單位和建設單位相互配合，而多個單位之間的配合需要標準作為對接的語言進行溝通。2018年6月發(fā)布的兩項特種機器人國標就是基于此目的而設定的。建養(yǎng)一體化是未來城市基礎設施全生命周期管理的基本模式，從設計之初就要考慮機器人等智能裝備自主開展日常管養(yǎng)作業(yè)，就要提供機器人所需的空間、能源供給、通信等基礎設施，這樣的設計對設施中后期危害高發(fā)的階段尤為重要。

合理運營解決社會分工關鍵問題

基礎設施的運維管養(yǎng)是城市需求的一個方面，城市應急救援任務則更為迫切，例如超高層建筑物的滅火與救援，城市環(huán)境的復雜性導致夠不著、進不去、展不開、打不準，這是消防部門最頭疼的問題。本質上，滅火與救援都屬于物資轉運效率的問題。滅火需要把安全區(qū)域的滅火物資快速集中到著火區(qū)域，救援是把著火區(qū)域的物資/人員快速轉移至安全區(qū)域。安全區(qū)域與著火區(qū)域之間城市環(huán)境的阻礙就是物資轉運的阻力，時間就是火勢發(fā)展關鍵因素。因此，要利用機器人可移動可操作的特點，來處理物資搬運;利用機器人的視覺與環(huán)境感知，來提高處置的效率?；馂木仍暮诵?，是在火災發(fā)展態(tài)勢的初期，盡快將物資搬運到位。當火災已失控，則壓制火災物資的體量和處置的代價將遠超預期，已不是某個能力極強的機器人或智能技術能夠解決的了。投入巨大成本研究在小概率的極端環(huán)境中搶險救災的特種機器人，在不發(fā)生事故時是資源浪費;在發(fā)生事故時，又不一定能覆蓋問題，因此這這種方式值得反思。

本質上，搶險救災與戰(zhàn)爭類似，都屬于小概率極端事件。軍事領域有一個概念，即平戰(zhàn)結合，是一種可供應急救援類機器人參考有效的模式。例如，將應急救援機器人定位為民兵，平時工作在日常崗位、戰(zhàn)時可迅速改裝前往一線作業(yè)。在超高層建筑滅火場景中，火災控制的關鍵階段是火災態(tài)勢發(fā)展剛剛超出非專業(yè)人員處置能力，且專業(yè)人員無法到達現(xiàn)場時。這時滅火物資在建筑物內基于火災風險分布進行部署，此時由就近的機器人攜帶進入現(xiàn)場并進行處置，實現(xiàn)滅火物資的第一時間轉運至火災現(xiàn)場。而這些機器人不是特殊定制的救援機器人，而是在建筑物內部提供物流和清潔服務的，或者建筑物外墻提供外墻清掃和檢修的機器人。這些機器人是當事故發(fā)生時，除了人之外的離著火區(qū)域最近的可移動、可轉運物資的載體。機器人攜帶滅火物資進入著火點處置的過程是自毀式的，但效率仍遠高于消防人員。

本文從未來機器人與人在城市環(huán)境里共存、共生的關系出發(fā)，探討了機器人頂層設計的三個維度，首先是基于經濟維度，從產品全生命周期的成本結構角度出發(fā)，客觀認識當前技術發(fā)展階段，評估其與價值輸出的平衡關系;其次基于技術維度，首先考慮機器人長期自主生存為設計側重點，再考慮功能設計;最后基于社會分工維度，利用合理的運營模式使其在應對小概率事件時發(fā)揮關鍵作用。

機器人是以生物和人為參照的復雜系統(tǒng)，具有感知、認知、運動等生物屬性。建立共生關系是降低城市總體運行成本的有效模式，與人共生的機器人也不再是威脅。只有把機器人當“人”看，使其有生產的權利、生存的意義和“宜居宜業(yè)宜行”的環(huán)境，才能更好地為人民服務。