智能機器人的未來展望

李璐彤

摘 要：考慮到發(fā)達國家勞動力不足的現(xiàn)狀，機器人的研發(fā)逐漸由僅能單一重復(fù)地工作轉(zhuǎn)向智能機器人。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)以及大數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)研發(fā)的機器人不僅可以大大緩解勞動力不足的現(xiàn)狀，更對解決老齡化問題大有裨益，是未來機器人發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：智能機器人；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)

智能機器人是什么？

智能機器人并不是按照預(yù)先設(shè)計好的程序或者工作人員的指揮來工作，而是根據(jù)自己的判斷來行動，這就是智能機器人。未來的智能機器人應(yīng)該是具備傳感器和執(zhí)行器，能夠處理來自傳感器感知的信息并指導(dǎo)執(zhí)行器操作的機器。即智能機器人的行動由傳感器感知信息決定。智能機器人中含有各種類型的傳感器，控制智能機器人執(zhí)行各類行動。

以往，機器人大多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其是汽車和電子制造業(yè)。而未來，隨著老齡化社會的到來，很多機器人將走進家庭，與人類共同生活。工業(yè)機器人在工廠工作，應(yīng)用于固定的工作環(huán)境，工作內(nèi)容也只需預(yù)先通過計算機軟件設(shè)計好程序，然后簡單地重復(fù)工作即可。但工作于社會環(huán)境中的智能機器人則需要更加高級的環(huán)境感知能力。例如智能家用機器人需要通過感知來不斷調(diào)整方位，回避桌椅等物體。即在“雜亂”的工作環(huán)境中工作，和人類共同生活的智能機器人必須具備各類傳感器，以感知周邊環(huán)境信息，并根據(jù)所處環(huán)境采取相應(yīng)的行動。

一、從IT，DT到RT

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量的暴漲成了許多行業(yè)共同面對的嚴峻挑戰(zhàn)和寶貴機遇?！叭祟愓龔腎T時代走向DT時代”，阿里巴巴集團創(chuàng)始人馬云在各種場合都不遺余力地推銷自己的觀點，信息社會已進入大數(shù)據(jù)（Big Data）時代。大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)改變著人們的生活、工作方式及企業(yè)的運作模式。馬云認為，IT（Information Technology）時代以自我控制、自我管理為主，而DT（Data Technology）時代則是以服務(wù)大眾、激發(fā)生產(chǎn)力為主的技術(shù)。這兩者之間看似是技術(shù)的差異，實則是思想觀念層面的差異。

隨著新一代信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，基于云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的智能機器人將在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，機器人技術(shù)（Robot Technology）時代將隨之到來。

機器人技術(shù)涉及眾多領(lǐng)域，具有多學(xué)科交叉和融合等特點。機器人正在逐步發(fā)展成為具有感知、認知和自主行動能力的智能化裝備，是數(shù)學(xué)、力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、自動控制、計算機、人工智能、光電、通信、傳感、仿生學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)綜合的成果，其發(fā)展水平體現(xiàn)了國家高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力。我國現(xiàn)階段機器人的發(fā)展需要提升智能和自主作業(yè)能力、改善人機交互能力、提高安全性能，解決制約“人機交互”“人機合作”“人機融合”的瓶頸問題，突破三維環(huán)境感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機交互、行為安全等關(guān)鍵技術(shù)。

機器人是新型技術(shù)的融合，為了使之能夠適應(yīng)功能的需求及保持其智能化的穩(wěn)定性，要求機器人具備許多前沿科技。通?？磥恚琑T技術(shù)主要由傳感器、智能控制、驅(qū)動部分組成，涵蓋計算機軟件、半導(dǎo)體、大數(shù)據(jù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動測量、自動定位、語音識別、圖像處理、環(huán)境識別、驅(qū)動技術(shù)、蓄電池等多項跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的前沿技術(shù)，其涵蓋范圍如圖1所示。

世界經(jīng)濟增長引擎也即將由IT，DT進入RT時代，智能機器人將成為物聯(lián)網(wǎng)時代各行各業(yè)以及家庭個人消費者的核心終端產(chǎn)品。根據(jù)國際機器人聯(lián)盟（IFR）的數(shù)據(jù)顯示，僅僅是家用機器人在2012年的全球消費總額已達到16億美元，2013—2016年估計智能家庭機器人的銷售數(shù)量將達到2 200萬臺。

二、從IR，SR到PR

機器人技術(shù)發(fā)展迅速，涵蓋內(nèi)容越來越多。按照國際機器人聯(lián)盟（IFR）的分類，機器人一般分為工業(yè)機器人（Industrial Robot，IR）和服務(wù)機器人（Service Robot，SR），分類如圖2所示。工業(yè)機器人是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機器人的總稱，工業(yè)機器人是一種通過編程或示教實現(xiàn)自動運行，具有多關(guān)節(jié)或多自由度，同時還具有一定感知功能（如視覺、力覺、位移檢測等），從而實現(xiàn)對環(huán)境和工作對象的自主判斷和決策，能夠代替人工完成各類繁重、乏味或有害環(huán)境下的體力勞動的自動化機器。成套設(shè)備由工業(yè)機器人和完成工作任務(wù)所需的外圍及周邊輔助設(shè)備組成一個獨立自動化生產(chǎn)單元，最大限度減少人工參與，提高生產(chǎn)效率。

工業(yè)機器人及成套設(shè)備可廣泛應(yīng)用于企業(yè)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如焊接、機械加工、搬運、裝配、分揀、噴涂等。工業(yè)機器人及成套設(shè)備的應(yīng)用不僅能將工人從繁重或有害的體力勞動中解放出來，解決當前勞動力短缺問題，而且能夠提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強企業(yè)整體競爭力。服務(wù)型機器人通常是可移動的，代替或協(xié)助人類完成為人類提供服務(wù)和安全保障等各項工作。

工業(yè)機器人并不僅僅用來代替人工勞動，同時還可作為一個可編程的擁有高級柔性、開放的加工單元集成到先進的制造系統(tǒng)中，適合于多品種變批量的柔性生產(chǎn)，提升產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性。在提高生產(chǎn)效率的同時加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，對提高制造業(yè)自動化水平意義重大。

從工廠到日常生活，機器人應(yīng)用更加廣泛。

服務(wù)機器人可以分為專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)機器人和個人/家庭服務(wù)機器人。服務(wù)機器人在世界范圍內(nèi)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，發(fā)達國家的服務(wù)機器人更是有著廣闊的市場。服務(wù)機器人的發(fā)展受四因素驅(qū)動，如圖3所示。

老齡化問題。全球人口的老齡化帶來大量問題，社會保障和醫(yī)療服務(wù)、護理的需求更加緊迫，但醫(yī)療護理人員的數(shù)量卻顯不足。在這種激化的沖突之中，服務(wù)機器人作為最佳的解決方案有巨大的發(fā)展空間。

勞動力不足。由于發(fā)達國家的勞動力成本不斷上漲，而且人們不愿意從事簡單重復(fù)性高的工作，包括清潔、護理、保安等，導(dǎo)致發(fā)達國家從事這類工作的人越來越少，因此勞動力不足為服務(wù)機器人帶來了巨大的市場。

幸福生活指數(shù)。隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的上升，人們可支配收入增加，使得人們能夠購買服務(wù)機器人來幫助人們提升幸福生活指數(shù)，讓機器人替代人去做各種家務(wù)，而人們則可獲得更多的空閑或者娛樂時間。

科技進步。隨著物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)以及大數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)的成熟，智能機器人更新?lián)Q代的速度越來越快，成本不斷下降，能實現(xiàn)的功能越來越多。

國際機器人聯(lián)盟對服務(wù)機器人做了初步定義：服務(wù)機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。數(shù)據(jù)顯示，目前世界上至少有48個國家在發(fā)展機器人，其中25個國家已涉足服務(wù)型機器人的開發(fā)。

未來，隨著機器人遍及社會各個角落，每個人都能感受到機器人應(yīng)用帶來的效果。例如：在老齡化嚴重的情況下，醫(yī)療護理的重要性日益凸顯。如果機器人得到深度應(yīng)用，就可以提供許多目前還未實現(xiàn)的高級醫(yī)療手段，提供負擔較輕、質(zhì)量較高的護理服務(wù)。服務(wù)機器人應(yīng)用范圍廣闊，除了醫(yī)療護理外，還包括維護保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、救災(zāi)等工作。尤其是家庭和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力尤其巨大。隨著全球人口老齡化進程的加快，產(chǎn)生了許多社會問題，例如對于老齡人的看護以及醫(yī)療護理等。光靠財政手段解決這些問題必將導(dǎo)致巨額的社會負擔。而從技術(shù)角度考慮，如若廣泛應(yīng)用服務(wù)機器人，利用服務(wù)機器人所具有的特點則能夠顯著降低財政負擔，提升居民幸福生活指數(shù)，有助于社會福利事業(yè)的健康發(fā)展。

同時，如果機器人在社會的各種場景得到應(yīng)用，也將培育出機器人參與協(xié)同工作的各種新業(yè)態(tài)，如維修，娛樂，保險等。機器人傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機交互技術(shù)、動力技術(shù)和材料技術(shù)不斷發(fā)展，推動機器人在社會各個領(lǐng)域的應(yīng)用走向成熟。尤其是隨著智能控制理論、機器學(xué)習(xí)算法、人機交互等關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展，使得機器人具備深度學(xué)習(xí)能力，通過訪問云計算數(shù)據(jù)中心進行大數(shù)據(jù)分析挖掘，進而在日益復(fù)雜的、不確定和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中進行自律性操作，響應(yīng)并滿足消費者個性化、實時化和多變化的需求。

當然，隨著機器人的深度應(yīng)用，一些社會制度也需要適時調(diào)整。盡管機器人的進化日新月異，但是相對于能夠識別各種狀況并做出判斷的人類來說，機器人能做的事情依然存在很大的局限性，需要長期進一步進化。

為此，只有將營造人類與機器人協(xié)同生活的社會作為必要的前提條件，才能最大限度發(fā)揮機器人的能力，而這對實現(xiàn)“機器人無障礙社會”也非常重要，如圖4所示。

實現(xiàn)機器人無障礙社會，老人、兒童都將在日常生活中與機器人互動。有機器人協(xié)助，人類將從繁雜的工作中解放出來，同時，信息通信技術(shù)進一步發(fā)展，也會大幅提升生活質(zhì)量。

此外，就政府管理而言，運用機器人不僅能夠保障區(qū)域安全，提升區(qū)域滿意指數(shù)，還能夠解決安保人員不足的問題，提升地方的安全性。

因此，繼智能手機之后，人類正在向機器人（PR）時代邁進。微軟前總裁比爾·蓋茨日前在《科學(xué)美國人》雜志上如此表述：屆時，家用機器人將像門鈴、計算機、移動電話、電冰箱等一樣普及。個人機器人受剛性需求驅(qū)動，市場將極為廣闊，如圖5所示。

三、從互聯(lián)，共享到協(xié)同

新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展催生了移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、工業(yè)可編程控制器等創(chuàng)新和應(yīng)用，推動了制造業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)展模式的深刻變革。在這一過程中，盡管德國擁有世界一流的機器設(shè)備和裝備制造業(yè)，尤其在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程領(lǐng)域德國更是處于領(lǐng)軍地位，但德國工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)及其相對弱項也顯而易見。一方面，機械設(shè)備領(lǐng)域的全球競爭日趨激烈，不僅美國積極重振制造業(yè)，亞洲的機械設(shè)備制造商也正在奮起直追，威脅德國制造商在全球市場的地位。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是德國工業(yè)的相對弱項。為了保持作為全球領(lǐng)先的裝備制造供應(yīng)商以及在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的優(yōu)勢，面對新一輪技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，德國推出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其目的就是充分發(fā)揮德國的制造業(yè)基礎(chǔ)及傳統(tǒng)優(yōu)勢，大力推動物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，形成信息物理網(wǎng)絡(luò)（CPS），以便在向未來制造業(yè)邁進的過程中先發(fā)制人，與美國爭奪新一輪工業(yè)革命的話語權(quán)。

機器人的價值因工業(yè)領(lǐng)域的普及而受到全球認可。尤其是主要需求領(lǐng)域的汽車與電子制造產(chǎn)業(yè)中，機器人的安裝使用帶動了生產(chǎn)效率的大幅增長。新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展催生了移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、工業(yè)可編程控制器等創(chuàng)新和應(yīng)用，推動了制造業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)展模式的深刻變革。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略旨在通過深度應(yīng)用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)等技術(shù)手段，推動制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。

生產(chǎn)制造領(lǐng)域的工業(yè)機器人也將成為智能制造的主力軍，制造業(yè)是機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域。當前在生產(chǎn)過程自動化中，大量采用了機器人，例如汽車產(chǎn)業(yè)、電子制造產(chǎn)業(yè)等大規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)均離不開各類機器人。

德國工業(yè)機器人的總數(shù)位居世界第三，僅次于日本和美國。機器人在德國制造業(yè)中的應(yīng)用率相對較高，每四個就業(yè)崗位就有一個工業(yè)機器人。以往德國機器人產(chǎn)業(yè)化模式的主要特點在于分工合作，未來則是基于動態(tài)配置的生產(chǎn)方式，將具備一定智能化的機器人個體通過數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。工業(yè)4.0帶來的機器人的進化如圖6所示。

近年來，隨著傳感器、人工智能等技術(shù)的進歩，機器人正朝向與信息技術(shù)相融合的趨勢發(fā)展。由此誕生的“自律化”“數(shù)據(jù)終端化”“網(wǎng)絡(luò)化”等擁有世界領(lǐng)先技術(shù)的機器人正在全世界范圍內(nèi)不斷獲取數(shù)據(jù)、獲得應(yīng)用，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動型創(chuàng)新。機器人在制造、服務(wù)領(lǐng)域帶動產(chǎn)生新附加值的同時，還將成為為信息傳達、娛樂和日常通信領(lǐng)域帶來極大變革的關(guān)鍵設(shè)備。

機器人概念也將發(fā)生變化。以往，機器人主要是指具備傳感器、智能控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等3要素的機械。隨著數(shù)字化的進展、云計算等網(wǎng)絡(luò)平臺的充實以及人工智能技術(shù)的進步，一些機器人即便沒有驅(qū)動系統(tǒng)也能通過獨立的智能控制系統(tǒng)驅(qū)動，聯(lián)網(wǎng)訪問現(xiàn)實世界的各種物體或人類。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)世界的進化，機器人僅僅通過智能控制系統(tǒng)就能夠應(yīng)用于社會的各個場景中。因此兼具3個所有要素的機械才能被稱為機器人的定義將有可能發(fā)生改變。即下一代機器人將會涵蓋更廣泛的概念。以往并未定義成機器人的物體也將機器人化，例如無人駕駛汽車、智能家電、智能手機、智能住宅等。

最近幾年，隨著美國、德國、日本等國家對機器人產(chǎn)業(yè)的大量投入，機器人技術(shù)發(fā)展日新月異。機器人從單體作業(yè)轉(zhuǎn)向可自主學(xué)習(xí)、自律行動的方向發(fā)展。除了傳感器技術(shù)、軟件信息處理能力的提升進步之外，深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)（圖像與語音識別，機械學(xué)習(xí)）的跨越式發(fā)展，也推動了機器人自身能力的進一步提升，使機器人能夠不斷從事更加高級的工作。也就是說，機器人從過去的簡單重復(fù)性勞動，變得能夠互聯(lián)、共享，甚至協(xié)同工作。