□文/賈梓筠

特種機器人的發(fā)展格局與進程

□文/賈梓筠

當工業(yè)機器人為外界所關(guān)注并成為市場主流的時候，特種機器人市場也正悄悄啟動。近年來，生產(chǎn)特種機器人的企業(yè)數(shù)量迅速增加，特種機器人產(chǎn)業(yè)已在國外形成，并對社會與生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮了重大的推動作用。

半個多世紀以來，機器人技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。從醫(yī)院的診斷治療到智能輪椅，從家庭清潔到教育、娛樂，從星球探測器到國際空間站維護，從無人駕駛汽車到災(zāi)難救援，從用于軍事偵查的機器蜜蜂到執(zhí)行排爆任務(wù)等，機器人大軍正在向人類生活邁進，像“鋼鐵俠”、“變形金剛”與“機器管家”也已陸續(xù)走出了科幻電影，紛紛問世。隨著全球勞動力成本的上升，機器人除了要在工廠里取代人的工作，還將在醫(yī)療、服務(wù)、交通、太空、軍事、海洋探測、生物、農(nóng)業(yè)和娛樂等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

特種機器人產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展

特種機器人近年來的發(fā)展非常迅速，新的機型不斷問世，整機性能也不斷提高。在機器人產(chǎn)業(yè)強國中，美國特種機器人技術(shù)創(chuàng)新最為活躍。其在醫(yī)療、服務(wù)、太空和軍事應(yīng)用的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有絕對優(yōu)勢，并占有特種機器人市場60%的份額。日前，美國正在致力于將為軍隊傷病員開發(fā)的機器人假肢和小型無人偵察直升機等技術(shù)轉(zhuǎn)為民用。2013年3月，美國提出了“機器人發(fā)展路線”，并給出了在未來15年美國機器人的五個重點研究領(lǐng)域，其中包括工業(yè)、醫(yī)療護理、服務(wù)、太空和軍事應(yīng)用。此外，日本也提出了類似的機器人研究發(fā)展路線，其中包括“新世紀工業(yè)機器人”、“服務(wù)機器人”和“特種機器人”三個方向。其計劃至2020年，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)機器人市場規(guī)模翻番，擴大至12萬億日元（約合人民幣732億元），主要增量將集中在特種機器人上。其中，護理和醫(yī)用機器人領(lǐng)域的市場規(guī)模也將是現(xiàn)在的20倍。最近歐盟啟動全球最大民用機器人研發(fā)項目，計劃到2020年投入28億歐元研發(fā)用于醫(yī)療、護理、家務(wù)、農(nóng)業(yè)和運輸?shù)阮I(lǐng)域的機器人。韓國機器人研究與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，提出了“829”戰(zhàn)略計劃，其中智能機器人是其提出的九項核心技術(shù)之一，把特種機器人技術(shù)列為未來國家發(fā)展的十大“發(fā)動機”產(chǎn)業(yè)，并把其作為國家的一個新的經(jīng)濟增長點進行重點發(fā)展，對機器人技術(shù)給予重點扶持。由此可見，美國、歐洲、日本、韓國等國家和地區(qū)都非常重視機器人技術(shù)的發(fā)展，并將機器人產(chǎn)業(yè)作為該國的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

在整個國際制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移的同時，我國正在經(jīng)歷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級階段，即由勞動密集型、低成本投入的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型、高投入高產(chǎn)出的關(guān)鍵時期。在這一過程中，機器人產(chǎn)業(yè)占據(jù)著舉足輕重的地位。目前，我國已經(jīng)初步建立起了從機器人應(yīng)用基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)體系。在特種機器人方面，以科沃斯、銀星等公司為代表的清潔服務(wù)機器人，已經(jīng)有近百萬臺走進了百姓家庭。在醫(yī)療、助老助殘等領(lǐng)域新近研發(fā)出的系列機器人樣機，也進入了示范應(yīng)用階段。

從細分領(lǐng)域看產(chǎn)業(yè)格局

2013年美國機器人發(fā)展路線圖給出了特種機器人在未來15年內(nèi)的發(fā)展方向。特種機器人的研究工作將圍繞醫(yī)療護理、服務(wù)、太空、軍事應(yīng)用展開。這四個方向不僅反映了當前特種機器人的產(chǎn)業(yè)格局，同時還覆蓋了機器人涉及的幾乎全部的前沿技術(shù)。

醫(yī)療護理機器人

作為一種新興的醫(yī)護手段，醫(yī)用機器人與傳統(tǒng)人工技術(shù)相比有許多技術(shù)優(yōu)勢。目前，醫(yī)用機器人已在腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除手術(shù)、人工關(guān)節(jié)置換、整形外科、泌尿科手術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

UCLA里根醫(yī)學(xué)中心的達芬奇機器人（左）床旁機械臂系統(tǒng)（右）外科醫(yī)生控制臺

外科手術(shù)機器人：達芬奇機器人的產(chǎn)生預(yù)示著第三代外科手術(shù)時代的來臨。達芬奇機器人由直覺外科公司（ISRG）設(shè)計制造并銷售。該系統(tǒng)以美國MIT的機器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過使用微創(chuàng)的方法實施復(fù)雜的外科手術(shù)，改變傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)的弊端。達芬奇機器人是為外科醫(yī)生手術(shù)操作中的直觀控制運動、精細組織操作和三維高清晰度視覺能力而設(shè)計的。它能夠模仿外科醫(yī)生的手部動作，用于控制臺上的儀器控制，通過微小的切口控制病人體內(nèi)的微小儀器。醫(yī)生通過外科手術(shù)機器人所提供的靈巧操控、精準定位以及術(shù)前規(guī)劃，可以使患者手術(shù)傷口減小、術(shù)后迅速恢復(fù)正常生活等，進而實現(xiàn)精準性和微創(chuàng)性兩大優(yōu)點。作為全球領(lǐng)先的微創(chuàng)機器人輔助手術(shù)機器人公司，ISRG在2013年的經(jīng)營收益已達到22.65億美元。截至2014年第一季度，達芬奇機器人累計銷售數(shù)量為3039臺。其中，我國大陸共安裝25臺，我國臺灣地區(qū)20臺，韓國44臺，日本178臺?？梢钥闯?，達芬奇機器人在我國的普及率和使用率還十分低。

由于達芬奇機器人售價高昂，我國各大研究院所和醫(yī)院合作也在加緊研制屬于中國的手術(shù)機器人。其中，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)的“黎元”機器人系統(tǒng)，是國內(nèi)第一個具有自主控制、視覺定位和遠程交互功能的新一代神經(jīng)微創(chuàng)外科機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)。目前該機器人已完成研發(fā)和臨床應(yīng)用，并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了遠程操作。天津大學(xué)、南開大學(xué)和天津總醫(yī)院共同開發(fā)的“妙手”機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，主要針對腹部手術(shù)，采用主從控制方式，主操作臂有7個自由度，目前已完成動物試驗。此外，國內(nèi)研發(fā)的外科手術(shù)機器人還有北京航空航天大學(xué)研發(fā)的胸腹外科手術(shù)機器人、南開大學(xué)研發(fā)的脊柱外科機器人、第三軍醫(yī)大學(xué)研發(fā)的脊柱微創(chuàng)外科機器人、天津大學(xué)研發(fā)的喉部手術(shù)機器人等。

康復(fù)機器人：作為一種自動化的康復(fù)治療設(shè)備，可以幫助患者進行科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運動功能得到更好的恢復(fù)。由瑞士一家醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎世大學(xué)醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推出的洛克馬（Lokomat）下肢康復(fù)機器人，能對脊髓損傷患者的踏車訓(xùn)練進行自動控制，同時配備有視覺、觸覺和聽覺反饋模式進行跨越障礙物訓(xùn)練。病人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由計算機控制，并配有相應(yīng)的位置和壓力傳感器，根據(jù)病人的實際情況自動調(diào)節(jié)運動參數(shù)，實現(xiàn)最佳的康復(fù)訓(xùn)練。

洛克馬下肢康復(fù)機器人

2013年，由上海璟和技創(chuàng)機器人有限公司推出了多體位智能康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)Flexbot。它能準確模擬正常人步態(tài)，突破性提供了早期臥床步態(tài)訓(xùn)練，包含完整步態(tài)周期的閉鏈運動和開鏈運動雙重運動模式，結(jié)合虛擬現(xiàn)實情景互動技術(shù)，為患者提供量化、多體位、多種運動模式的步態(tài)訓(xùn)練，同時實時提供數(shù)據(jù)信息反饋。能夠有效應(yīng)用于下肢康復(fù)臨床訓(xùn)練中，提高下肢步行功能訓(xùn)練的康復(fù)效果，并可完全替代和超越國外同類功能的多關(guān)節(jié)智能化下肢機器人康復(fù)系統(tǒng)。

多體位智能康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)Flexbot

隨著康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進步，基于運動學(xué)習(xí)理論而發(fā)展起來的下肢康復(fù)機器人也將深入到康復(fù)醫(yī)學(xué)的更多領(lǐng)域，包括在人體的四肢和功能上的重建、職業(yè)技能培訓(xùn)和康復(fù)治療等很多層面。

殘障輔助機器人：智能輪椅是殘障機器人的一種，屬于輪式移動型機器人的研究范疇，其主要服務(wù)于脊椎受損或行動不便的病人。智能輪椅除了輪椅的基本功能外，它的機械臂還能輔助病人完成喝水、服藥、吃飯等動作。世界各國的研究者相繼開發(fā)了多種智能輪椅平臺。最新的研究成果來自美國MIT計算機科學(xué)和人工智能實驗室（CSAIL)。該輪椅可以在基于導(dǎo)航的情況下完全通過語音控制的方式在空間內(nèi)移動，跟蹤人行走，自動識別使用者的語音命令，依靠無線Wi一Fi系統(tǒng)及各節(jié)點產(chǎn)生地圖，然后利用地圖進行導(dǎo)航。同時，它還配備激光雷達等傳感器，用于確保在行進過程中不會撞到人或其他障礙。該開發(fā)團隊采用了亞馬遜的Mechanical Turk平臺來幫助輪椅理解使用者說出的語音命令，掌握更多的詞匯量。2014年起，該團隊開始對輪椅進行升級工作，計劃在輪椅上安裝機械臂以幫助患者更好地取放物體。

MIT計算機科學(xué)和人工智能實驗室研制的智能輪椅

近年來，我國也開始逐步將智能康復(fù)醫(yī)療器材的研發(fā)納入工作日程，為進一步改善殘障人士的生活水平做出行動。在智能輪椅的研究方面，由上海交通大學(xué)自主機器人實驗室研制的“交龍”輪椅表現(xiàn)出眾。該智能輪椅可以為試乘游客提供展館導(dǎo)游服務(wù)，能夠與游客進行互動交流，當游客提出感興趣的展品后，能以最短路徑方式，引領(lǐng)游客達到展品位置，并通過語音和視頻等多媒體形式介紹展品內(nèi)容。然而，與歐美等發(fā)達國家智能輪椅逐步取代普通輪椅的狀況來比，我國的智能輪椅市場仍處于早期階段，部分控制器仍需進口，缺乏智能輪椅生產(chǎn)的核心技術(shù)，無法形成智能輪椅的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，產(chǎn)品智能化的程度也較低，故而智能化輪椅產(chǎn)品的價格比較高，不容易被大眾所接受。

上海交通大學(xué)研制的“交龍”導(dǎo)游機器人

服務(wù)機器人

典型服務(wù)機器人產(chǎn)品(左)Roomba掃地機器人(中)Verro水池清潔機器人(右)LEGO樂高教育機器人

服務(wù)機器人是機器人家族中的一個年輕成員，其定位就是服務(wù)。當前世界服務(wù)機器人市場化程度仍處于起步階段，但受簡單勞動力不足、人口老齡化等剛性需求驅(qū)動，產(chǎn)品研發(fā)進展很快。目前，世界上至少有48 個國家在發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)，其中25個國家已涉足服務(wù)型機器人開發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已有7種類型計40余款服務(wù)型機器人進入實驗和半商業(yè)化應(yīng)用。在發(fā)展處于前列的國家中，西方國家以美國、德國和法國為代表，亞洲以日本和韓國為代表。

PR2機器人應(yīng)用案例 （左)從冰箱取啤酒（中）攤煎餅（右）打臺球

不同于工業(yè)機器人，服務(wù)機器人通常需要工作在充滿人的環(huán)境空間中，并且需要與人進行直接的合作。迄今為止，個人服務(wù)機器人以家庭型掃地機器人應(yīng)用最為廣泛。龍頭企業(yè)iRobot在2014年上半年實現(xiàn)營收2.54億美元，全球市場占有率超過60%，市值約10 億美元。已有超過600萬臺的“Robot Roomba”掃地機器人售往世界各地，并以每年60%的市場年增長率增加。

在諸多個人服務(wù)機器人中，值得一提的是由美國Willow Garage機器人公司研制的“第二代個人機器人PR2 ”。PR2被譽為全球第一個能夠完成一系列綜合性操作的智能機器人。與具有單一功能的掃地機器人等相比，可以說PR2具有真正“為人民服務(wù)”的能力。如今，PR2已經(jīng)能夠完成自己開門、找到插頭給自己充電、疊毛巾、打開冰箱取啤酒、打臺球，甚至是做一頓簡單的午餐等。PR2對外銷售價格為每臺40萬美元。由于其價格過高且功能還達不到商業(yè)應(yīng)用的要求，所以其主要用于研究。據(jù)統(tǒng)計，擁有PR2的研究機構(gòu)主要分布在歐美日韓等國家和地區(qū)。其中以北美高校最為普遍，臺灣大學(xué)、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院等也引進了PR2作為機器人的科研平臺。

專業(yè)服務(wù)機器人的發(fā)展同樣出色。在無人駕駛汽車方面，谷歌推出了世界上第一輛完全無需人工控制的無人駕駛汽車；奧迪在國際消費電子產(chǎn)品展會上展示了其“Audi Quattro Sport Laserlight”概念車，該車采用奧迪zFAS系統(tǒng)，配備有雷達、攝像頭、激光掃描儀等進行環(huán)境感知；法雷奧的代表在iPhone上演示了如何讓其無人駕駛汽車自動泊車的過程，通過12個超聲感應(yīng)器、4個攝像頭以及安裝在格柵上的一臺激光掃描儀實現(xiàn)了自助泊車功能；寶馬展示的自助式汽車可以兼容三星Galaxy Gear智能手表和無線藍牙；在第七屆廣東工業(yè)設(shè)計活動上，廣汽集團展出的傳祺Witstar成為我國首部國產(chǎn)無人駕駛汽車，搭載有智能駕駛系統(tǒng)，擁有由激光雷達、高速CCD相機、紅外攝像頭等組成的全方位環(huán)境感知系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集和處理環(huán)境信息、建立車周環(huán)境的3D映像從而實現(xiàn)點對點的完全自動駕駛。

然而，無人駕駛技術(shù)的實現(xiàn)并不意味著其能馬上投入使用。谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人謝爾蓋·布林表示，無人駕駛汽車還很初級，谷歌希望它可以盡可能地適應(yīng)不同的使用場景，只要按一下按鈕，就能把用戶送到目的地?！堵槭±砉た萍荚u論》2014年8月發(fā)布的一份報告顯示，谷歌研發(fā)的無人駕駛汽車運行依賴地圖和詳細的數(shù)據(jù)，這一前提大大限制了他們的上路范圍。報告稱，谷歌的無人駕駛汽車無法在99%的美國公路上自動行駛。特別是在我國，由于城市的道路路況和交通都很復(fù)雜，全面實現(xiàn)無人駕駛需要城市基礎(chǔ)設(shè)施、相關(guān)法律法規(guī)配套等方面進一步完善。

智能公共交通運輸系統(tǒng)也是專業(yè)服務(wù)機器人在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。相比具有特定機械結(jié)構(gòu)的實體機器人系統(tǒng)，智能公共交通運輸系統(tǒng)更為抽象、動態(tài)特性更為明顯，也更容易受到外界的干擾。該系統(tǒng)涉及的熱點問題包括：緩解交通擁堵、降低交通事故率、為人們出行提供輔助導(dǎo)航等。目前，公路管理局正在嘗試在公路上安裝傳感器、攝像頭、自動收費讀卡器等設(shè)備來構(gòu)建“智能道路”，同時研究多種智能算法以實現(xiàn)道路建設(shè)的優(yōu)化、路況實施監(jiān)測、車輛智能疏導(dǎo)的功能。

其他一些研究和應(yīng)用都比較成熟的專業(yè)服務(wù)機器人有無人機、水下機器人、隧道機器人、農(nóng)業(yè)機器人、電網(wǎng)巡檢機器人等。其中，國外在無人機的研究方面占有較為明顯的優(yōu)勢，在上述其他幾個領(lǐng)域國內(nèi)外的研發(fā)實力基本相當。然而，由我國自主研發(fā)的機器人所用到的核心部件多數(shù)是國外進口，導(dǎo)致研發(fā)成本較高，功能可拓展性較低，市場占有率較低。

NASA 發(fā)布的機器人宇航員R2工作照

空間/太空機器人

航天界對空間機器人的定義一般是指用于開發(fā)太空資源、空間建設(shè)和維修、協(xié)助空間生產(chǎn)和科學(xué)實驗、星際探索等方面的帶有一定智能的各種機械手、探測車等應(yīng)用設(shè)備?？臻g機器人所從事的工作主要涉及空間站的建設(shè)，航天器的維護和修理，空間生產(chǎn)和科學(xué)實驗與星球探測等。

在空間機器人中，智能程度最高的屬自主型機器人。其最新成果之一來自于美國國家宇航局（NASA）與通用汽車公司、海洋工程離岸油田機器人公司聯(lián)合研制的人形機器人助手Robonaut 2號（R2）。R2是全球首位機器人宇航員，它的外皮材料具有屏蔽功能，能夠減少空間站設(shè)備和宇宙射線對它的電磁干擾。從2011年起，R2被放置于國際空間站上，用于協(xié)助宇航員完成清掃和日常維護等工作。2013年底，NASA工程師們成功地為R2進行了升級工作，不僅包括更換新的處理器、風(fēng)扇和軟件升級，還在R2上安裝了可以靈活彎曲運動的下肢。據(jù)NASA發(fā)布的消息，R2的雙腿可以用于輔助機器人在無重力環(huán)境下進行行走和攀爬運動，并使其一條腿的跨度可達9英尺長。據(jù)美國國家宇航局稱，R2的雙腿研發(fā)消耗了6百萬美元，后期的系統(tǒng)搭建與測試消耗了8百萬美元。NASA表示，R2的上身部分也需要進行升級以適應(yīng)艙外的真空環(huán)境，其電力系統(tǒng)需要改造成可攜帶電池組工作或依靠太陽能工作。

Kirobo在國際空間站留影

“神舟十號”與“天宮一號”自動對接計算機演示圖

日本在空間機器人的研究成果打破了國際空間站的靜寂。2013年8月4日，日本將世界首個會說話的機器人Kirobo送上太空，其不僅可以完成多種肢體動作，還可以用日語同宇航員進行交流，幫助其工作，記錄對話內(nèi)容，并能從控制室向宇航員傳遞信息等。來自豐田汽車公司的語言處理技術(shù)能讓Kirobo以一種合成的聲音講話，其頭部的攝像機裝有面部識別軟件。

我國空間機器人的研究成果主要集中在空間站的建立與宇宙飛船等方面。在空間站的研究上，由中國空間技術(shù)研究院和上海航天技術(shù)研究院研制的“天宮一號”是我國首個目標飛行器和空間實驗室。“天宮一號”的發(fā)射標志著我國已掌握空間交會對接技術(shù)及建立空間實驗室的技術(shù)，同時也意味著中國已經(jīng)擁有建立初步空間站，即短期無人照料的空間站的能力。在載人宇宙飛船的研究上，我國已達到或優(yōu)于國際第三代載人飛船技術(shù)。神舟飛船是中國自行研制、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的飛船。與國外第三代飛船相比，具有起點高、具備留軌利用能力等特點。2013年6月13日，“神舟十號”飛船與“天宮一號”順利完成了自動交會對接，航天員對天宮一號的地板和密封圈進行了更換，同時實施飛船繞飛實驗，為空間站的建造儲備技術(shù)奠定基礎(chǔ)。2014年2月，“天宮一號”天地通信系統(tǒng)完成兩次遠程控制，使其軌道高度得到提升，完成了第一次軌道維持工作。中國載人航天工程總設(shè)計師周建平在北京表示，中國將在2015年底前后發(fā)射真正的空間實驗室“天宮二號”，目標是建成我國正式的空間實驗室大系統(tǒng)。“天宮二號”任務(wù)期間，中國將發(fā)射載人飛船和貨運飛船。

著陸器和月球車互拍回傳照片（左）“嫦娥三號”著陸器（右）“玉兔號”月球車

在探索空間機器人的應(yīng)用中，雖然我國的研究起步比較晚，但是發(fā)展速度較快。2013年7月20日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號丙運載火箭，以“一箭三星”方式，成功將“創(chuàng)新三號”、“試驗七號”和“實踐十五號”三顆技術(shù)科學(xué)試驗衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道。三顆衛(wèi)星主要用于開展空間碎片觀測、空間機械臂操作等空間維護技術(shù)科學(xué)試驗。2013年12月2日，我國從西昌發(fā)射升空的“嫦娥三號”著陸器和“玉兔號”月球車是我國首次開展的月面軟著陸巡視探測行動?！坝裢锰枴笔俏覈灾餮邪l(fā)的首輛無人駕駛月球車，其主要工作模式分為行走、探測和通信三類。其采用搖臂懸架構(gòu)型，輪式行走裝置，獨立驅(qū)動；采用立體視覺完成周圍環(huán)境識別；根據(jù)環(huán)境信息，實現(xiàn)安全路徑規(guī)劃；利用機械臂輔助儀器實現(xiàn)就位探測；利用測月雷達探測土壤厚度和分層等信息。

2014年4月，我國載人月球車在重慶第七屆國際軍博會上首次亮相。該載人月球車由27所985重點高校組成的教育部深空探測聯(lián)合研究中心研發(fā)，整車可折疊，可攜帶多種設(shè)備，最多承載兩人，重慶大學(xué)承擔了主要的研發(fā)工作。設(shè)計師詹涵菁表示，目前該月球車還只是一個雛形，已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)和力學(xué)設(shè)計，接下來還有真空實驗和熱控實驗等一系列研發(fā)過程，預(yù)計在2015年年底完成概念性預(yù)研發(fā)。

軍用機器人

軍用機器人的研制涉及到國家軍事安全，屬于軍用設(shè)備的高端產(chǎn)品。同時，軍用機器人集各領(lǐng)域最先進的技術(shù)與經(jīng)驗于一身，代表著機器人技術(shù)研究的最高水準。

近10年來，軍用機器人已成為國家軍事安全的重點發(fā)展戰(zhàn)略。各國都非常重視軍用機器人的發(fā)展并投入巨額資金用于研制更先進的軍用裝備。以美軍為例，其“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”的研究經(jīng)費預(yù)計為250億美元。如果美國陸軍全部裝備“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”，則將耗資13000億美元。然而從美國國防部的角度看，用武裝機器人代替士兵服役打仗，實現(xiàn)軍隊的機器人化，是少花錢、低風(fēng)險、高效率實施未來戰(zhàn)爭的最佳途徑。因為如果把合同役士兵的薪資、培訓(xùn)費用、退休金、福利以及傷亡補貼等全部計算在內(nèi)，使用機器人士兵的成本甚至?xí)?。因此，即使在使用機器人從事軍事活動的問題上存在著激烈的社會爭議，但研制軍用機器人的進程并未中斷，反而有加速的趨勢，可見機器人在未來軍事領(lǐng)域?qū)⒁缪葜匾巧?/p>

美國海軍陸戰(zhàn)隊對LS3的現(xiàn)場測試

在軍用機器人研究中，美國無論是在基礎(chǔ)技術(shù)、系統(tǒng)開發(fā)、生產(chǎn)配套方面，還是在技術(shù)轉(zhuǎn)化和實戰(zhàn)應(yīng)用經(jīng)驗上都處于絕對領(lǐng)先地位。美國軍用機器人開發(fā)與應(yīng)用涵蓋了陸、海、空、天等各個兵種，是世界上唯一具有綜合開發(fā)、試驗和實戰(zhàn)應(yīng)用能力的國家。目前，美軍已經(jīng)裝配了超過7500架無人機和1.5萬個地面機器人，用于偵察監(jiān)視、替代士兵站崗放哨、排雷除爆等任務(wù)。美國國會曾批準2015年美軍作戰(zhàn)平臺中無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的比例達1/3的方案。為提升海陸空軍事系統(tǒng)的實力，美國國防部現(xiàn)正在研制基于先進機器人技術(shù)的集成作戰(zhàn)系統(tǒng)，其主要分成四類：

[1]

摩爾定律

由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出。他指出，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

（1）用于監(jiān)視、勘察導(dǎo)彈的無人駕駛飛行器；

（2）用于深入士兵無法進入的危險領(lǐng)域獲取信息的小型無人地面車輛；

（3）用于補充作戰(zhàn)物資的多功能后勤保障機器人；

（4）用于運輸復(fù)雜偵查設(shè)備的武裝機器人戰(zhàn)車。

美國波士頓動力公司（Boston Dynamics）是全球聞名的機器人工程技術(shù)廠商，在四足全地形機器人方面尤其富有經(jīng)驗。在波士頓動力研制的多款創(chuàng)新型機器人中，“大狗BigDog”機器人最為典型。該項目由DARPA資助，希望大狗能在軍車難以出入的險要地帶助士兵一臂之力。大狗的升級版“阿爾法狗（Alpha Dog）”，官方稱之為有腿小隊支援系統(tǒng)（Legged Squad Support System，簡稱LS3），目前部署在夏威夷的卡胡庫訓(xùn)練區(qū)，由海軍陸戰(zhàn)隊士兵對其測試。LS3能夠搭載400磅重物連續(xù)行走20英里，并在樹林、巖石地、障礙物和城區(qū)等復(fù)雜地形中跟隨士兵行動。此外，LS3可以自主地沿著簡單路線行進，也可以通過手持設(shè)備對其進行遙控操作。

軍用機器人的產(chǎn)業(yè)強國包括美、德、英、法、意、以、日、韓等國家，這些國家不僅在技術(shù)上處于研究的前列，其產(chǎn)品已經(jīng)在軍事上有了實際運用。我國與這些強國的技術(shù)差距明顯，但在政策大力支持的情況下，軍事機器人的相關(guān)企業(yè)發(fā)展前景明顯良好，有望成為企業(yè)未來強勁的收入保證。

未來發(fā)展的新難題

從全球范圍看，科技發(fā)展的速度越來越快，無論是機器人硬件設(shè)備更新?lián)Q代的速度，還是機器人的軟件控制系統(tǒng)的升級速度，都已逐漸打破了摩爾定律[1]。

作為高新技術(shù)的集大成者，特種機器人的發(fā)展勢必會加速新一輪科技革命的到來。因此，面向非制造業(yè)的特種機器人的研究、開發(fā)、應(yīng)用將成為未來機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向。其中，特種機器人則會在軍事，醫(yī)療護理，太空探索與個人／專業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域扮演重要角色。隨著相互學(xué)習(xí)與共享知識云技術(shù)獲得重大突破，小型家庭用輔助機器人的成本大幅度降低，有望在20年內(nèi)形成過百億美元的新興市場，而殘障輔助機器人的規(guī)模也會在未來20年內(nèi)加速擴大。

核心技術(shù)方面，特種機器人未來研發(fā)的重大難點之一將是人、自然環(huán)境以及機器人的共生問題?；诖说臋C器人功能也會得到進一步細化。例如，高靈巧度操作，安全控制策略，獨立供電系統(tǒng)，低排放執(zhí)行器，真實世界的三維規(guī)劃與導(dǎo)航，協(xié)同工作，人機交互，物聯(lián)網(wǎng)與云計算，柔性機構(gòu)驅(qū)動設(shè)計，運動／感知／控制仿生，復(fù)雜環(huán)境下機器人學(xué)的動力學(xué)控制，故障遠程診斷與修復(fù)技術(shù)等等。此外，以大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)與機器人技術(shù)的融合創(chuàng)新加速，將不僅有助開發(fā)出更具自主學(xué)習(xí)能力和自主解決問題能力的新型智能機器人，還可為機器人建立起相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)和知識庫的“云空間”, 使其通過互聯(lián)網(wǎng)進行交互，并通過云計算提升機器人的智能化水平。因此，機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢將圍繞網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、集成化、智能化、綠色化方向展開。

如何打破國外壟斷格局

我國工業(yè)化起步晚是導(dǎo)致與發(fā)達國家機器人和智能裝備產(chǎn)業(yè)差距的主要原因。由于高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才嚴重稀缺，自主創(chuàng)新能力嚴重不足，尤其是在原創(chuàng)性方面，我國國產(chǎn)機器人生產(chǎn)規(guī)模不大，整體智能化水平較低，國產(chǎn)器件質(zhì)量達不到國際標準，整體性能偏低，機器人故障率過高，可靠性較差。國內(nèi)機器人企業(yè)至少落后美國20年以上，在一些關(guān)鍵部件的研發(fā)生產(chǎn)上差距甚至達到50年。比如，扮演機器人“大腦”角色的中央處理器CPU是機器人智能化的必要條件與保障。而如今，中國還沒有能力獨立研發(fā)高性能的CPU模塊。此外，諸如傳感器等元器件、減速器、伺服電機、信息處理技術(shù)等核心軟硬件技術(shù)，也還在依賴進口，造成國產(chǎn)機器人成本居高不下，嚴重制約了機器人產(chǎn)業(yè)的成熟及國際競爭力的形成。

為了解決我國核心技術(shù)能力不足的“內(nèi)憂”和因外資來襲導(dǎo)致國產(chǎn)自主品牌生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展受阻的“外患”，我國有必要從系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和制造技術(shù)等方面縮小差距。突破機器人新材料、3D環(huán)境識別、導(dǎo)航規(guī)劃、靈巧操作等前沿技術(shù)。突破應(yīng)用工藝、核心部件及可靠性集成平臺等產(chǎn)業(yè)技術(shù)。并堅持以工業(yè)規(guī)?；?、服務(wù)嵌入化為原則，形成機器人研制、生產(chǎn)、制造、銷售、集成、服務(wù)等有序而細化的產(chǎn)業(yè)鏈。由于機器人本體在中國不能大規(guī)模國產(chǎn)化，目前我國可以借鑒美國在系統(tǒng)集成方面的行業(yè)經(jīng)驗，采取美國模式，進而快速產(chǎn)生經(jīng)濟效益。但面臨的問題是，做系統(tǒng)集成的企業(yè)會受到資金壓力而導(dǎo)致規(guī)模擴張被限制。在真正突破機器人本體技術(shù)后，我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式還可融合日本的產(chǎn)業(yè)鏈分工模式。與此同時，重點培育具有國際競爭力的本土機器人龍頭企業(yè)以及配套的產(chǎn)業(yè)集群，開拓屬于中國特有的特種機器人市場，建立規(guī)模化的國產(chǎn)品牌示范區(qū)等，也將有助于打破國外對特種機器人產(chǎn)業(yè)的壟斷格局。

賈梓筠 北京交通大學(xué) 博士研究生

曾作為國家公派留學(xué)生在美國麻省理工學(xué)院機器人實驗室訪學(xué)一年