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Hga030(www.hg108.vip):我国机器人产业发展态势强劲,未来将朝着共融机器人的方向发展

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去年首次亮相的特斯拉“擎天柱”机器人,近日又上热搜,特斯拉首席执行官马斯克称,将于9月30日公布该款人形机器人的更多细节,最快明年就要面世;8月8日,腾讯正式发布Max二代机器人,其能在梅花桩上完成旋转踏步、单桩跳跃、双轮站立等高难度动作;小米机器人“铁蛋”和“铁大”、小鹏智能机器马等各类机器人层出不穷。


马斯克曾直言,机器人比汽车更有价值。有价值必然有市场。当前,小米、百度、华为、特斯拉、福特、丰田等国内外众多科技巨头和车企都在竞相推出自己的机器人。


拥抱机器人时代,人类步伐不仅要快,更要稳。


机器人或是未来最好的交互工具


马斯克对于“擎天柱”的“官宣”让消费者和业界都十分期待。


“其实不用大惊小怪,机器人早已在很多地方影响着我们的生活。”湖北工业大学计算机学院副教授张子蓬说,随着服务机器人的全面发展,日常生活中与机器人相遇的机会越来越多,如酒店自动送餐小车、无人驾驶机动车、炒菜机器人等。


张子蓬认为,经多年培育,机器人相关技术已经成熟,机器人产业已迎来爆发期。“机器人需求量将呈爆发性增长,或在百万亿美元量级。”他说,机器人市场容量巨大,吸引巨头们纷纷下场,抢占先机分一杯羹。


今年4月,马斯克透露,“擎天柱”机器人预计售价2.5万美元。据介绍,“擎天柱”机器人身高172厘米,头上有一块屏幕用来显示信息,拥有360°视野监控,整体重量约56.7千克,行动速度最高可达9.33公里每小时。


特斯拉宣称,该机器人身体表面由特殊轻质材料制成,“比人的皮肤还光滑”。其行动主要依靠脖子、胳膊、手、腿、躯干中搭载的40个机电传动器,可以执行一些精密的手工作业。


而腾讯自研的多模态四足机器人Max,采用原创的腿轮一体的本体设计,实现“崎岖路面走得稳,平坦路面跑得快”,在视觉感知、轨迹规划、运动控制等方面实现了技术创新。


“各大科技巨头瞄准机器人产业进行布局,是一种战略驱动。”张子蓬说,巨头们在线上的能量十分惊人,但在线下如何做到全方位与人交互,将“抵达客户的最后一百米”做好,是其需要不断去追逐的目标。


从台式电脑、笔记本到手机,显示屏越来越小,交互的便捷性却越来越强。张子蓬表示,从全面性来讲,未来,各种形态的机器人无疑是最好的交互工具。机器人适用于网络服务的线下延伸应用,且需求数量巨大,科技巨头们如此追逐也就在情理之中了。


生产和生活方面的人类好帮手


“机器人可以简单分为两类,工业机器人和服务机器人。”张子蓬说,工业机器人以生产应用为主,对可靠性、寿命、效率等有着极高的要求。


张子蓬介绍,工业机器人发展60余年,尤其是在生产端,“黑灯工厂”(可关闭作业区域照明的无人工厂)早已不是新鲜概念。工业现代化之所以能够取得如此高的效率,用机器人解放人力是最重要的产能支撑。这些“安家”在工厂车间或生产地的机器人,日常生活中难以遇到,但却是国家制造业硬实力的体现。


例如白酒酿造的一道核心工序——上甑,酿酒师傅要在酒精蒸汽冒出之前,将酒醅撒上。如何把酒醅撒好是一道手艺活,一位合格的上甑师傅需要8年的时间去琢磨手感。


“但‘上甑机器人’可以成为与老酿酒师傅媲美的‘上甑工匠’,这种类型的机器人还是中国独有的。”武汉奋进智能机器有限公司董事长徐击水说,老师傅铺料凭经验和直觉,而机器人通过红外等技术,可实时感知甑体内蒸汽分布情况,快速计算铺哪里、铺多少,比肉眼判断更准确,一台机器人最多可以代替6名熟练师傅,效率也得以大大提升。


张子蓬说,和工业机器人不同的是,服务机器人面对的是人或多种应用场景。


湖北是小龙虾生产、消费大省,吃虾令人开怀,剥虾却令人厌烦。简单重复的剥虾动作,可否让机器人来完成?张子蓬曾参与研发全球首台智能剥虾机器人,其控制系统采用网络神经算法,可像人类大脑一样,在读取、运算后发出指令,控制机器人的“双手”,实现动态抓取和智能剥虾。


此外,机器人外观在拟人化方面,也越来越逼真。张子蓬认为,机器人拟人化,是为取悦于人,方便在个人或公众服务层面应用推广。


服务机器人对精度、可靠性方面的要求没有工业机器人高,但对智能化程度的要求更高,这是科技巨头们的优势所在。


我国机器人产业发展态势强劲


“我国机器人技术起步较晚,随着国家推动数字化转型,作为制造业大国,机器人应用范围越来越广。”中国科学院院士丁汉说,“颇为厉害”的国产机器人,或与人们想象中的机器人不太一样,却覆盖了“海陆空”。


机器人送餐、机器人检查、机器人搬运……如今,机器人已成为人们习以为常的“智能帮手”。


张子蓬介绍,近年来,国家给予了机器人产业大力支持,在政策、资金等方面持续发力,机器人相关的科技创新公司层出不穷。我国在机器人技术研发、产业推动方面,取得了明显进步,呈现出强劲的发展态势。


越来越多的国内厂家在减速机、控制系统、伺服电机等关键部件上屡屡攻坚克难,市场上国产核心组件应用不断扩大,从设计到制造的自主能力都得到了提高。可以预见,未来市场上一定会出现价格适宜、功能特性强,更贴近国内需求的自主国产机器人。


目前,我国工业用机器人也在技术创新和需求增长的共同推动下,迅速向智能制造领域拓展。


丁汉直言,机器人是多学科交叉融合的产物,需要人工智能等技术的进步,还需要新材料、传感、驱动、芯片技术等众多领域的创新突破,这个过程会比较漫长。


“未来,机器人将朝着共融机器人的方向发展。”丁汉表示,机器人将变得更加柔性化、灵巧化、网络化,为人机协作提供无限可能。


“聚焦细分市场,深度融合制造工艺,为行业提供定制化的机器人,才能实现‘换道超车’。”徐击水说。


机器人产业链涵盖了芯片、传感器等核心零部件企业,图像、语音、语义、机器人操作系统等技术研发公司,既需要产品研发,也需要技术突破。“政府要牵头,促进校企深度合作,有效整合产学研等各自优势,使创新要素有机融合,激发机器人技术研究的新思路,并促进先进机器人技术应用落地。”丁汉说。


机器人与自动化:挑战和机遇

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在7月举办的2022京港青年科创论坛中,我们邀请到世界知名机器人领域专家、(香港大学工业及制造系统系机器人与自动化)席宁教授带来《机器人与自动化的机遇和挑战》主题演讲,以下文稿根据席教授演讲整理而成。


机器人技术的发展已经有60多年历史,其发展动力主要来自两个方向:一是新技术的推动,新的计算机技术、新的传感器技术、新的控制方法等,不断推动机器人技术的发展;二是新应用的拉动,机器人的应用领域从最初的制造业、特别是汽车制造业发展到如今的3C产业,不断涌现服务机器人、医疗机器人等新的应用,从需求侧拉动机器人技术的发展。在这两方面的作用下,工业机器人、机器人技术发展以及机器人的基础研究都持续面临新的挑战和新的机会。


工业机器人,“卡脖子”技术的更迭


过去十年,中国工业机器人的应用市场引领了世界工业机器人的发展。特别是疫情后很多行业增长减慢或增长消失的背景下,工业机器人需求逆势增长,在这种特殊环境中,人们再一次认识到了工业机器人的重要性。


在工业机器人发展过程中,中国曾面临驱动器、控制器、减速器三个卡脖子技术,通过多年的努力我们已经迎头赶上。但随着新的应用需求出现,对工业机器人领域技术也提出了新的要求。


首先是“友好”(Friendly),虽然现在有很多可以制造机械臂等非常优秀产品的工业机器人企业,但在应用软件包、编程方法等应用层面仍面临很多问题,机器人的编程使用困难依然是全球工业机器人领域的一大挑战;其次是“柔性”(Flexibility),大部分企业在购买工业机器人之后没有独立完成校正、设置等复杂工作的能力,这给工业机器人的应用推广带来困难,因此如何让工业机器人更容易、更方便地集成到工厂现有的制造系统中并具备重组能力(reconfigurability)是工业机器人面临的新挑战;再次是“精准”(Fidelity),从曾经的汽车制造到现在的电子元器件制造,新应用的不断出现对机器人的精度提出了新的要求和挑战。


可以看到,工业机器人的“卡脖子”已经从驱动器、控制器、减速器三大传统关键技术,发展为三个新的关键技术:编程方法、校正方法和与新型传感器的集成技术。作为工业机器人的后来者,中国既要迎头赶上,也要瞄准下一代新技术,因此这三方面非常重要,为工业机器人的下一步的发展提供了很多新的机会。

机器人技术,从简单替代“人”到“超限机器人”


曾经,我们通过机器人完成一些人们不愿意做的事情,比如常说的“3D工作”(Dirty,Dull,Dangerous),而随着信息技术、微纳米技术和生命医学技术等新兴技术的出现和不断推动,机器人已经从简单的、代替人们做己所不欲之事,一步步扩展到如今做人所不能之事,超越了人能力限制,也即“超限机器人”,超限机器人技术下一代的发展方向主要体现在克服距离困难、克服尺度困难和克服环境困难三方面。


(1)克服距离困难


包括通信技术、5G等技术在内的信息技术与机器人技术的结合,让我们不仅可以通过网络传输信息,通过控制远端机器人也能够传输动作,让网络从信息高速公路(Information Super Highway)变为动作传输高速公路(Action Super Highway),大大扩展了人类的能力。以前由于距离限制看不见摸不着的地方,现在不仅能被“看到”,还可以进行操作实现很多事情,克服了距离给人类带来的困难。


(2)克服尺度困难


微纳米技术的发展创造了很多经济发展的机遇,但由于尺度非常小,在制造和加工时面临很多困难。通过机器人技术,我们可以把微纳米尺度的环境变成人类能够看到和摸到的,并且还可以进行操作和加工,克服尺度给人类带来的困难。


(3)克服环境困难


通过与生命医学技术的结合,机器人可以克服一些特殊环境下人类面临的困难,比如人无法直接进入人体的生理环境,但借助机器人我们可以进入到器官和细胞内进行诊断和治疗。

机器人帮助人类克服距离、尺度和环境给我们带来的困难


下面我们通过几个具体的应用案例来解释这三方面的发展:

以疾病诊断为例,通过机器人技术与网络技术的结合,我们可以实现医疗服务的远程传输,可以在人不能去医院的情况下进行远程诊断,疫情之下这项技术显得尤为重要。


比如远程实验,受疫情的影响学校大多转为线上授课,这使很多需要实验的学科教学受到很大影响,学生们失去了很多很重要动手实践机会,我们的远程实验室(Remote Lab)项目就是针对这一问题进行的,让学生不仅可以线上听讲,还可以线上做实验,大大扩展了线上教育能力,也对将来对电化教育的发展,特别是对不发达地区的学生能够提供更好的教育机会。


机器人技术在生产自动化中创造了很多价值,在生物医药、尤其是新药研发方面尤其未来可期。新药研发的成本非常高,美国制药工业每年新药研发投入不断增加,但是最终研发出来的新药数量却没有显著提升,这一难题被称为制药领域创新缺口(Pharma innovation gap),亟需新技术、新途径改变现状,特别是这次疫情让我们看到新药研发时间和成本的重要性。

研发经费投入与产出不成比例,出现制药领域创新缺口


据估算,如果能够在自动化程度较低的新药研发领域引入和较好应用机器人自动化技术,能够实现6800亿的新价值。我所在的港大新兴技术研究所近期研发的用于新药研发的自动化系统引入微纳米机器人,像流水线一样把细胞传送过来,用微纳米机器人把药放在细胞的特定位置上进行高速筛选并观测各项生物指标来测试药效,实现新药高速筛选和开发,大幅降低成本、提高效率。


再比如芯片制造方面,目前芯片的特征尺寸从7纳米到2纳米不断缩小,但硅胶材料终有尽头,想要进一步提高集成度势必要寻找新的材料、新的方法来制造芯片,并需要新加工和制造方法,在极小尺度下进行装配、测量,这些都需要引入微纳米机器人和自动化技术帮助我们克服尺度带来的困难。


机器人基础理论,从仿生到类生


机器人技术的发展建立在基础理论上,也即人类如何开发机器人。过去60年,人们开发机器人的灵感都来自和建立在仿生的基础上,比如人有手臂,我们就做一个机械手臂。现在我们需要新的启发和思路来开发下一代机器人技术。在基础研究方面,机器人面临的新机遇和挑战是类生命机器人(Bio-syncretic Robots)。


机器人与生物体具有各自的优点,机器人向生物体学习,生物体向机器融合,最终实现生命-机器深度融合,得到具有多重优点的类生命机器人系统


仿生机器人有“形仿”,形状一样但工作原理不同,比如人的手臂和机械臂;还有“功仿”,功能一样但形状、机理不同,比如飞机与鸟。而作为机器人下一步的新发展动力,类生学则是指机器人不仅要从生物系统学习,还要跟生物系统融合。这一点非常重要,无疑类生学会给机器人的发展带来很多新的机遇和新的应用。


以驱动为例,现在的机器人用电机驱动,能量转化率小于30%,也就是说有70%以上的能量都被浪费了,效率非常低,且负重比也很低。相比之下,人类和其他生物的肌肉能量转换率在50%以上,远高于电机,同时负重比也很高——蚂蚁可以举起比它的身体重很多倍的东西,但现在的机器人做不到。


我们希望把肌肉的机理、结构等生物系统和机电系统结合起来,形成一种新型的机电技术。


我们现在正在开发一款传感式助老机器人,希望能帮助那些由于肌肉萎缩、各种关节的问题导致行走有困难的老年人顺利行走,由于转动驱动方式、负重比和能量转换等各方面因素,使用传统的机电系统很难实现,所以我们选择引入人造肌肉形成机器人,从而使能量转换效率、负重比等各方面性能都能够大幅提高和改善,最终能够造出一种帮助人类行走的可穿戴式的机器人。


通过以上三个方面:工业机器人关键技术更迭、机器人从代替人类工作到超越人类极限、从仿生机器人到类生机器人的发展,我们看到了机器人发展的前沿和带来的机会。下一个十年是机器人技术发展的黄金时期,我们要抓住机遇,推动机器人的发展和应用。

来源:科技日报记者 吴纯新 科技创新加速平台PLUGANDPLAY

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