機(jī)器人學(xué)與自動(dòng)化的未來發(fā)展趨勢

 談自忠 

華盛頓大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)系

本文由《中國科學(xué)院院刊》授權(quán)轉(zhuǎn)載

自人們開始研究機(jī)器人以來，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有兩個(gè)方面：（1）應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。在工業(yè)制造過程中，生產(chǎn)車間通常具有結(jié)構(gòu)化環(huán)境，要求機(jī)器人在這種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速、精確的操作。（2）應(yīng)用于遠(yuǎn)程操作領(lǐng)域。有些工作人類不能參與或者不愿參與，利用機(jī)器人是一種很好的選擇。如2013年9月15日日本福島核電站遭臺(tái)風(fēng)“萬宜”襲擊，致使蓄水罐周圍的防漏圍堰內(nèi)積蓄大量雨水。東京電力公司隨后承認(rèn)向太平洋排放上千噸受污染的積水。這種情況下核電站情況復(fù)雜，人員不能進(jìn)入，即使隨后排查認(rèn)為核電站情況對人員不會(huì)造成危害，不了解情況的工作人員仍不愿進(jìn)入。在這種情況下，可以利用機(jī)器人通過遠(yuǎn)程操作排查險(xiǎn)情。機(jī)器人在遠(yuǎn)程操作時(shí)所處環(huán)境通常不具有結(jié)構(gòu)性（雖然核電站本身具有結(jié)構(gòu)性，但受臺(tái)風(fēng)破壞后結(jié)構(gòu)性被部分破壞），如利用機(jī)器人進(jìn)行火山口、深海探測。這種情況下要求機(jī)器人本身安全性、可靠性較強(qiáng)，可以應(yīng)對各種復(fù)雜突發(fā)情況。

一直以來，機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力來源有兩個(gè)：（1）技術(shù)推動(dòng)（Technology Pushing）。隨著電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的研究發(fā)現(xiàn)被引入機(jī)器人領(lǐng)域，成為機(jī)器人與自動(dòng)化領(lǐng)域的新技術(shù)。（2）應(yīng)用牽引（ApplicationPulling）。工業(yè)、服務(wù)業(yè)與國防安全等領(lǐng)域，利用機(jī)器人的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于人工完成的效果。這種應(yīng)用需求使得相關(guān)的機(jī)器人與自動(dòng)化研究不斷增加和深入。以上兩種力量共同驅(qū)使機(jī)器人技術(shù)向前發(fā)展（圖 1）。 

圖 1 機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力

過去30年來，機(jī)器人最大的進(jìn)步可以用“Trade”這個(gè)詞表示，即利用電子電路和計(jì)算能力替代機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（Trademe chanical complexity for electronics and computation）。早先，為了實(shí)現(xiàn)多流程、復(fù)雜性的操作，需要設(shè)計(jì)非常精密、復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著數(shù)字控制器的發(fā)展，很多復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以使用數(shù)字控制器代替。舉例來說，過去的汽車剎車系統(tǒng)完全由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，包含上百個(gè)零部件；現(xiàn)在的汽車剎車系統(tǒng)則部分由芯片和相應(yīng)的控制軟件組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)得到了大大的精簡。這一變化的主要原因是“硅革命”（Silicon Revolution）。世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC具有18000個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電功率約150千瓦，每秒鐘僅可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。而今天任何一部智能手機(jī)已經(jīng)可以每秒響應(yīng)百億條指令。硅革命將大型的、復(fù)雜的、昂貴的機(jī)械系統(tǒng)用小型的、高性能的、相對廉價(jià)的微電子系統(tǒng)取代。這種微型芯片能夠?qū)崿F(xiàn)感知、思考、交流等復(fù)雜功能，而包含這種芯片的機(jī)器就被稱為“智能機(jī)器”（Intelligent Machine）。

現(xiàn)在，機(jī)器人與各學(xué)科的交叉研究變得非常豐富。在信息學(xué)方面，機(jī)器人得到了最廣泛的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)業(yè)機(jī)器人以及國防機(jī)器人逐漸開始代替人工完成制造業(yè)、服務(wù)業(yè)以及國防安全領(lǐng)域的各種工作；在納米技術(shù)方面的研究，促進(jìn)了微納機(jī)器人的發(fā)展，并逐漸在環(huán)境監(jiān)測、生物學(xué)方面找到應(yīng)用結(jié)合點(diǎn)；在生物醫(yī)學(xué)方面，許多原型機(jī)給科學(xué)家們提供了機(jī)理驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)……可以看到，機(jī)器人已經(jīng)不再是簡單的自動(dòng)化機(jī)器，而是人們在各種領(lǐng)域的得力“助手”。

如何從根本上提升機(jī)器人的智能，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。經(jīng)歷了長期的發(fā)展過程，人們普遍認(rèn)為機(jī)器通常在動(dòng)力、速度、精巧性方面優(yōu)于人類，而人類具有智能、感知、情感等機(jī)器部分具有或者不具有的能力和特點(diǎn)。人們自然希望可以將二者各自的優(yōu)點(diǎn)融合在一起，實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)協(xié)作”。早在20世紀(jì)50年代，已有研究人員開展了相關(guān)的工作，從具體任務(wù)出發(fā)（如工業(yè)制造），研究離線狀態(tài)下的人-機(jī)交互。20世紀(jì)90年代，人們開始研究實(shí)時(shí)交互問題，將服務(wù)機(jī)器人與人結(jié)合在一起。然而這種協(xié)作主要從功能角度使人和機(jī)器人共享智能，并不算真正意義上的融合。在這一過程中，人做一部分，機(jī)器人做一部分，二者分工完成同一任務(wù)。自2010年來，人們更加關(guān)注“認(rèn)知-合作”，機(jī)器人作為人的“同事”，和人在一起工作。

在未來，人們希望可以將人的智能引入機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠像人一樣思考，從而“配合”人的工作，共同完成任務(wù)。這種類腦智能不同于以往讓機(jī)器人從功能上“像人”的思路，而是從細(xì)胞等微觀層面入手，從機(jī)理上對人進(jìn)行模仿，從而讓機(jī)器人由內(nèi)向外都“像人”（圖 2）。

談自忠：美國華盛頓大學(xué)資深教授,清華大學(xué)自動(dòng)化系客座教授,IEEE Fellow,IFAC Fellow。曾任IEEE董事會(huì)董事、IEEE系統(tǒng)與控制部主任、IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)主席等職。長期致力于系統(tǒng)科學(xué)與控制理論研究,涉及隨機(jī)濾波與控制;雙線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)控制;量子力學(xué)濾波與控制;機(jī)械臂動(dòng)態(tài)控制等領(lǐng)域。在以上領(lǐng)域發(fā)表國際期刊文章上百余篇。曾多次被列入美國當(dāng)代科學(xué)技術(shù)名人錄以及國際工程界名人錄。2010年獲中科院'愛因斯坦講座教授獎(jiǎng)'和美國自動(dòng)控制協(xié)會(huì)的'John R. Ragazzini'獎(jiǎng)。

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