共融机器人研究和应用前景广阔

 　　自上世纪50年代第一台机器人发明至今，机器人技术不断进步，昔日科幻作品对机器人的许多想象已成现实。比如，人类已制造出蚂蚁、蝴蝶、飞天水母等形形色色的仿生机器人，能够做出高难度体操动作的人形机器人，能够表现出超过62种面部表情的机器人，等等。随着智能传感、人工智能、大数据等技术快速发展，机器人不断被赋予与环境交互、模仿人类甚至自主学习等新技能。 　　当前，在产业升级、健康服务、国防安全、太空探索、科考与资源开发等关乎人类未来的领域，机器人的作用日益突出。机器人研究正在成为全球高科技竞争热点，许多国家都将机器人列入优先发展的产业技术行列。 　　超越三大历史阶段，共融机器人领跑未来 　　回顾历史，机器人的发展大致经历三个阶段。第一代机器人相当于“遥控操作器”，由人操作机械进行挖掘、搬运等工作，主要起到放大操作员力量的作用；第二代机器人能够根据离线编好的程序自动重复完成操作，目前工业生活中常见的工业机器人就是这一类；第三代机器人是智能机器人，可通过各种传感器获取环境信息，利用智能技术进行识别、理解、推理并作出规划决定，属于可自主行动、实现预定目标的交互机器人。工业领域中负责搬运、焊接与装配等任务的工业机器人、服务行业中的扫地机器人和炒菜机器人等都属此类。 　　机器人虽已广泛应用于国民生活和经济各领域，但其灵活性和智能决策能力等方面尚显不足。比如，工业机器人感知能力较弱，只能在稳定的环境中工作，即主要在结构化环境中执行各类确定性任务，否则就容易出错甚至伤人毁物。这就是为什么工业机器人经常“单兵作战”，甚至需要防护网将机器人作业区和工人作业区分开。服务机器人是应对未来全球人口老龄化趋势加剧的有效手段，但目前存在无法接受抽象指令、难以与人有效沟通、人机协调合作能力不足、安全机制欠缺等问题。特种机器人是代替人类在极地、深海、外星、核辐射场所、军事战场、受灾地域等危险区域执行任务的重要工具，但存在过度依赖编程和人类远程操作、自主性不足等问题。 　　克服上述不足、有效扩展和延伸人类能力，是未来机器人的发展方向——共融机器人应运而生。 　　实现“共融”目标，需要机器人技术多层面革新 　　共融机器人，是指能与作业环境、人、其他机器人自然交互，自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人。“共融”具体包含三层含义：一是机器人与环境的自然交互。传统机器人在特定区域工作，目标简单、对象单一，但在实际生产生活中很难有如此纯粹的环境。让机器人走出车间，走进山地、雪地，来到人来人往的街道，甚至让机器人和人一起在动态环境中协同作业，是共融机器人的第一重目标。二是机器人之间的互助互补。两个人可以抬起更重的物品，三人一组的F1赛车服务人员可以在两秒内更换一个轮胎，一台复杂的内科手术需要多位医生和护士协作。机器人如何通过多“人”协作以实现单体能力的突破呢？这就是共融机器人发展的第二重目标，实现机器人之间的协作、互补，通过合作增强机器人整体功能和性能。三是机器人与人之间的协同作业。与人合作，不单指听人指挥，共融机器人还需要有自己的“判断”和“想法”。人是复杂的、动态的，和人协作是对机器人更高的要求。这时，机器人不再被动等待人的协助、不再一味依赖人的编程，而要能够主动感知并解决各种问题。 　　为实现以上与环境，与其他机器人，与人类共存、共事、共融的目标，机器人需要在“身体”“感知”和“意识”上进行革新。 　　机器人的结构要更加柔软，不仅有“骨”，还要有“肉”。机器人以钢铁铸就骨架，具有强大力量。但在这副“铁骨”之上，要长出柔软的“血肉”。比如工业机器人要满足铣、钻、抛、磨、削等制造任务需求，需要机器人结构具备更大的自由度和更强的顺应性，以实现曲面适应、柔顺抓取等功能。医疗康复、助老助残等应用，则更要求机器人结构从刚体、刚柔耦合发展为柔体、软体甚至流变体，以更好地适应使用者，保护使用者。 　　机器人的感知系统要更加灵活多样，实现多模态融合。人类之所以能够适应各种环境，离不开人类对不同环境的敏锐感知力。共融机器人同样需要这种多样化的感知能力。值得注意的是，多样化感知不是添加几个传感器这么简单，还有信号传输、运算、识别等许多工作要做。很多情况下，要识别外部环境的情况、他人的意图，需要多种模态信号的融合处理，需要机器人实时感知、理解甚至不断学习才能实现。 　　机器人群体协作沟通能力要更强、更自然。随着单个机器人感知能力的提升，以及机器人集群数量和形式的增加，机器人群体之间的信息沟通、独立智能和分布协作的重要性越来越高。未来，我们需要一个兼具个体自主性和群体合作性，同时具备实时性和安全性的分布式操作系统构架，来突破共融机器人的系统瓶颈。 　　共融机器人是机器人学科和技术发展重要方向，助力人类创造美好生活 　　共融机器人积极呼应社会发展需求和国家战略需求，是我国机器人学科和技术发展重要方向。可以预见的是，随着先进制造技术、信息技术以及人工智能技术的创新与发展，机器人制造水平将越来越高，“能工巧匠”“聪敏体贴”和“分工合作”等类型共融机器人将深刻影响人类生活。 　　“能工巧匠”型机器人将创造各种功能强大的智能制造装备，协助提升“中国制造”品质和“中国创造”影响力，实现制造业的转型升级。未来，各种新型操作、加工、装配机器人等，将可以满足大至飞机、航天器，小至电子零件的各种生产制造需求，现有的搬运、码垛、焊接机器人将获得新的提升和改进。 　　“聪敏体贴”型机器人将进入人类日常工作和生活，如康复机器人、外骨骼机器人等。一方面，机器人能够“聪敏”地感知人类意图，主动帮助人类完成一些任务，而不需要人类输入明确、繁杂的指令。另一方面，机器人也会更加“体贴”，采用柔性结构的穿戴式机器人将更好地和使用者的身体相适应，工厂中的协作机器人也能做到不打扰更不伤害劳动者。 　　“分工合作”型机器人将出现在各种特殊环境中，应用于抢险救灾、深海探索和国防安全等领域。这类机器人体型多样，不管环境空间狭小还是广袤，都可以通过分工合作，有效拓展和控制范围，完成重型操作任务。即便在部分损坏的情况下，这种分工合作型机器人仍可保持集群功能，从而积极适应灾难场景和突发情况。 　　纵观科技发展史，机械设备是对人类四肢的延展，计算机是对人类大脑的拓展，机器人则是对人类综合能力的模仿，是具有感知、认知和自主行动能力的智能化装备。共融机器人则进一步提高感知、推理、决策、学习等智能活动能力，组成一个可以和环境，甚至和人类进行自然交互的系统。为促进共融机器人基础理论和关键技术的研究，2016年国家自然科学基金委员会发布“共融机器人的基础理论与关键技术研究”重大研究计划。该计划瞄准国际机器人研究前沿，面向国家重大战略及民生需求，通过机械、信息、力学、材料和生物等学科深度交叉与融合，开展面向共融机器人结构与驱动、感知与交互、智能与控制的共性基础研究，力图在刚—柔—软耦合柔顺结构设计与动力学、多模态环境感知与人体互适应协作、群体智能与分布式机器人操作系统等基础理论和共性关键技术的源头创新上取得突破。 　　在共融机器人基础理论与关键技术研究道路上，相信我们将培育出一批具有国际影响力的中青年学术骨干和带头人，在探索中不断提升我国机器人研究整体创新能力和国际影响力。 　　(作者丁汉为华中科技大学教授、中国科学院院士，陶波为华中科技大学教授) 　　制图：蔡华伟