□文/沈應龍

沈應龍上海市科學學研究所 助理研究員

在本輪席卷全球的機器人產業(yè)風暴中，美國的服務機器人異軍突起，一掃自上世紀80年代以來在工業(yè)機器人領域的頹勢，再次回到了世界機器人行業(yè)競爭的一線。iRobot掃地機器人風靡全球，并帶動了大量跟風追捧者，開創(chuàng)了機器人進入家庭服務領域的熱潮。波士頓動力公司等雖沒有在民用市場露臉，但其各種近乎于科幻小說式的實驗室產品在各大科技媒體上頻頻曝光，幾乎成了展示美國科技實力的旗幟。這些公司的規(guī)模并不大，歷史也不長，但是發(fā)展迅速、技術特色鮮明。美國服務機器人產業(yè)背后的企業(yè)成長經歷折射出美國特有的產學研結合與成果轉化模式。

前世：實驗室蘊藏的機器人黑科技

DARPA（美國國防部先進研究項目局）是美國在國防組織中遠期重大科技攻關項目的管理部門，在公眾心目中的形象則更像是“瘋狂科學家的大本營”，且時常在各類科幻電影中出鏡。最能彰顯其存在感的大概要數(shù)我們每天都會使用的因特網(wǎng)和GPS定位系統(tǒng)。這兩大技術均源自于上世紀六七十年代DARPA推動的秘密項目，它們在數(shù)十年后逐漸擴散至民用領域，深刻改變了全球經濟產業(yè)格局。機器人技術同樣被美國列入重點關注清單中，并獲得了以DARPA為首的美國有關機構的大力支持。

早在上世紀40年代，DARPA尚未成立，工業(yè)機器人也尚未出現(xiàn)。為了處理輻射性的核材料，美國原子能委員會下屬的阿爾貢研究所開發(fā)出遙控式、主從式機械手。受到可編程工業(yè)機器人的啟發(fā)，DARPA在創(chuàng)立早期資助高校開展了技術超前的機器人研究。1968年，電子計算機技術還不發(fā)達，MIT（麻省理工學院）使用一臺占據(jù)數(shù)個房間的巨型計算機控制智能機器人的雛形——“Shakey”。在更早的1962年，康奈爾大學航空實驗室就開始研發(fā)出軍用外骨骼的雛形——“采用主從控制方式的人力放大系統(tǒng)”。

上世紀七十年代中后期，美國在工業(yè)機器人領域的優(yōu)勢逐漸被日本、歐洲相關企業(yè)追趕，一直到上世紀九十年代初期幾乎被全面超越。然而，在冷戰(zhàn)時代的大背景下，以DARPA為首的美國相關機構對機器人技術的資助從未停滯，且扶持力度遠比NSF（美國國家衛(wèi)生基金會）等科學基金更大。著名的軍火制造商Northrop Grumman Corporation（諾斯羅普·格魯門公司）的子公司Remotec Inc.原本以制造核工業(yè)設備起家，在1986年開發(fā)了軍用排爆UGV（無人陸地車輛），并始終在這一領域保持領先。直到現(xiàn)在，該公司仍然是美國軍用機器人和無人機的主要供應商之一。

圖1　DARPA聯(lián)合眾多機構推進“先進操作機械手組件計劃”

圖2　位于美國弗吉尼亞州的DARPA總部

需要注意的是，同許多其他技術類似，DARPA資助的機器人研究項目往往是大大超前的，而短期內又缺乏實用可能性的基礎性探索工作，研究成果往往長期以技術儲備的形式存在，真正獲得大規(guī)模應用可能要經過數(shù)十年。Remotec Inc.在上世紀八十年代研發(fā)的軍用UGV產品一直不斷完善，直到21世紀才開始大量使用。前些年，DARPA組織了卡內基·梅隆大學、哈佛機器人實驗室、iRobot公司、美國航空航天局噴氣推進實驗室、斯坦福國際咨詢研究所、美國南加州大學、RE2公司等多家研究單位，投資1億美元推行“先進操作機械手組件計劃”。DARPA的目標是使機器手能夠自主操縱并執(zhí)行復雜的任務，包括擬人化的判斷和動作，例如針對特定顏色、形狀的目標進行自主選擇和抓取——這一技術在短期內幾乎沒有應用可能。洛克希德·馬丁和雷神兩大軍火商目前推出的軍用外骨骼機器人也只是階段性產品，距離實用仍然有較大差距。同樣典型的案例是成立于上世紀90年代初的波士頓動力公司，他們承接DARPA的訂單，研制出了諸如能自平衡的機器狗、能高速奔跑的機器獵豹、能跑能跳能爬墻的人形機器人、能改變外形的機器蛇等稀奇古怪、科幻感十足的產品，但到目前為止尚無任何實用性的產品問世。

今生：技術優(yōu)勢下誕生的產業(yè)黑馬

隨著時間的推移，DARPA等官方機構所推進的基礎研究逐漸累積并發(fā)酵成熟。一些技術在軍方裝備中得以實現(xiàn)，例如隱形戰(zhàn)機技術，還有一些技術則被引入民用領域，深刻改變著世界。此類技術除了互聯(lián)網(wǎng)之外，也包括服務機器人。

服務機器人行業(yè)的明星企業(yè)iRobot公司就是一個典型。iRobot的創(chuàng)始團隊來自于MIT電腦科學及人工智能實驗室，他們延續(xù)了在實驗室期間的研究方向——軍用排爆機器人。1998年，iRobot獲得了DARPA的戰(zhàn)術機器人研發(fā)合同，并開發(fā)出了相應的產品PackBot，之后又陸續(xù)獲得了更多的研發(fā)和生產合同，僅2004-2005年就贏得了超過五千萬美元的項目資助。目前，iRobot已經同Remotec Inc.一樣成為了美國軍方UGV的主要供應商之一。iRobot的股權結構也同樣能夠說明其深厚的背景，目前幾個主要的個人股東均涉及軍方層面。Paul J. Kern將軍曾就職于美國陸軍裝備司令部，并擔任軍方軍需后勤方面的助理秘書長。Jacques S.Gansler博士曾擔任負責采辦、技術和后勤的國防部副部長。

圖3　Roomba真空清潔機器人

2002年，iRobot管理層看好家庭清掃機器人市場，于是利用自身在軍用機器人領域的技術積累推出了民用產品Roomba并大獲成功。在充足的技術儲備的支持下，軍火商iRobot向服務機器人制造商iRobot的轉變似乎順理成章，毫無障礙。然而在同一時間的中國，同樣認識到了家庭清掃機器人廣闊前景的科沃斯公司還在為無法解決產品的定位問題而煩惱。

Roomba大受歡迎并在全球獲得追捧后，iRobot在服務機器人的道路上一往無前。2012年，iRobot收購了另一個研發(fā)擦地機器人的公司Evolution Robotics，并投資了遠程醫(yī)療機器人公司InTouch Health?，F(xiàn)在的iRobot已經建成了包括掃地、擦地、擦窗、泳池清潔、水槽清潔等功能在內的全面的家庭服務機器人產品線。醫(yī)療機器人RP-VITA已獲得FDA的銷售許可并完成了49萬人次的診療。截至2013年底，iRobot服務機器人的累計銷售量已經超過1000萬臺，而其“主業(yè)”軍用機器人的累計銷量僅為5000臺，年銷售額更是不到總銷售額的10%。盡管軍用機器人在iRobot業(yè)務中所占的比重逐步縮水，但相關技術的領先地位始終毫無動搖。美國軍方對下一代軍用UGV的研發(fā)目標是使其擁有更多的自主性，即使UGV身處戰(zhàn)區(qū)、災區(qū)等復雜環(huán)境中仍能在不依賴外部控制的情況下了解環(huán)境并自動作出行動決策；而iRobot新推出的掃地機器人產品也逐步從最初的碰撞/轉向定位方式升級為應用了多種傳感器和復雜路線規(guī)劃算法的更加適應復雜家庭環(huán)境的定位和清掃方式。

圖4　遠程醫(yī)療機器人RP-VITA

iRobot對整個機器人行業(yè)的推動意義遠不止是自身的迅猛發(fā)展。Roomba熱銷的背后，是首個企業(yè)將兼具低廉價格和強實用性的革命性產品第一次以“機器人”的概念全面地融入人們的日常生活中。這一浪潮的追隨者遍布世界，僅在美國本土就能找到超過十個家庭掃地機器人品牌，生產商包括了新興創(chuàng)業(yè)企業(yè)、老牌吸塵器廠、電子設備廠，以及來自亞洲的產品。中國市場同樣火爆，科沃斯公司的銷售額在三年間成長了十倍。而iRobot自身也在不斷分蘗，原本的三人創(chuàng)業(yè)團隊除一人留任外，另外兩人均離開并成立了新的公司，分別致力于無人機領域以及能與人類安全共事的工業(yè)機器人領域。

iRobot的技術創(chuàng)新以及成果轉移、轉化歷程形成了軍用到民用、實驗室到企業(yè)、企業(yè)的初創(chuàng)、并購等各種形態(tài)。這一看上去水到渠成的過程卻離不開美國開放的創(chuàng)新環(huán)境。首先是市場化的人才流動機制，初始的創(chuàng)新團隊能夠順利地切換身份，毫無制度障礙便能走出校園創(chuàng)立企業(yè)，之后脫離iRobot開始新的創(chuàng)業(yè)，這些都與創(chuàng)新機制密不可分。其次是靈活的知識產權機制，它使得技術沒有被束縛在DARPA或MIT的文件柜中，而是能夠隨著人才的流動成為企業(yè)核心競爭力。最后是活躍的創(chuàng)業(yè)扶持和投資環(huán)境，iRobot團隊收到的第一筆資助是他們曾經就職的MIT電腦科學及人工智能實驗室提供的創(chuàng)業(yè)基金，并開展了多次融資活動，獲得了強大的發(fā)展動力。最早源自DARPA實驗室的部分技術，便這樣一步步滲透進應用市場，催生了iRobot不斷發(fā)展，最終推動了整個美國服務機器人產業(yè)的進步。

展望：虛擬世界伸向現(xiàn)實世界的觸手

雖然爆發(fā)性的擴張勢頭引人注目，但整個服務機器人產業(yè)畢竟仍處于早期階段。盡管各大廠商一直在尋找能更好地進入家庭、融入民眾日常生活的突破口，但另一個類似掃地機器人那樣的既廉價又實用的明星產品始終沒有浮出水面。iRobot擦窗機器人、科沃斯管家機器人在市場上的表現(xiàn)都不溫不火，難以撼動問世十多年的掃地機器人的絕對主角地位。

圖5　非傳統(tǒng)機器人公司涉足服務機器人產業(yè)

諸多“外行”公司的關注則迅速打破了這一僵局。谷歌公司從2013年底開始接連收購了9家各具特色的機器人公司，甚至包括著名的“黑科技”大本營波士頓動力公司。谷歌無人駕駛汽車項目的開展則相對低調得多，現(xiàn)已在美國多個州取得了上路許可并完成了160萬公里的測試。亞馬遜則在大力推進無人機送貨的研究項目，并在不久前獲得了美國聯(lián)邦航空管理局的許可。

這些計算機或是互聯(lián)網(wǎng)領域的巨頭“插手”機器人產業(yè)的動機非常明顯，無論由數(shù)字構成的虛擬世界有多么精彩和智能，它們都只能依靠光影和聲音投射到現(xiàn)實世界中，虛擬世界始終缺乏一個強有力的載體來反饋虛擬世界對現(xiàn)實世界的具象化作用。而機器人的行動機構和傳感器正是適宜數(shù)字大腦依托的肢體和耳目，它能夠極大地拓展虛擬世界同現(xiàn)實世界的溝通渠道。

于是，業(yè)內對服務機器人未來發(fā)展方向的判斷迅速且統(tǒng)一。他們將關注點從單純的硬件功能改進轉為軟件協(xié)同與應用體系營造。機器人技術融入已經高度發(fā)達的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)，將是服務機器人的目標所在。開發(fā)出開源機器人系統(tǒng)ROS的Willow Garage公司創(chuàng)始人Scott Hassan則更加直白地表示，服務機器人的發(fā)展“在根本上是個軟件問題而非硬件問題”。iRobot正計劃推出真正智能的掃地機器人，它不再需要用戶使用應用程序進行遙控控制，并且能結合機器上的攝像頭以及網(wǎng)絡云端的智能識別引擎真正“認識”家中的一切物品進而規(guī)劃線路。更重要的是，這一新產品的定位是作為可交互的硬件終端之一加入下一代智能家居操作系統(tǒng)，可同家中其他智能設備配合完成任務，而且不用在應用程序中發(fā)出任何指令。至于這個智能家居操作系統(tǒng)的開發(fā)，iRobot表示還是要交給谷歌和蘋果這類大公司。

幕后：DARPA仍然在行動

服務機器人同互聯(lián)網(wǎng)產品的結合是新業(yè)態(tài)發(fā)展的趨勢，但不可否認的是，科技發(fā)展水平的不足導致了機器人在這一結合關系中處于相對弱勢的地位。

從技術角度來講，需要在復雜的日常生活環(huán)境中活動的服務機器人比在結構化、標準化環(huán)境中工作的工業(yè)機器人對智能性、安全性的要求更高。從市場角度來講，服務機器人提供的服務遠不如工業(yè)機器人生產的產品在經濟價值上的體現(xiàn)直接，因此服務機器人用戶對價格的敏感度更高。服務機器人發(fā)展的進程比工業(yè)機器人晚得多，并且需要依托已成熟的互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的繼續(xù)成長。例如，在工業(yè)和軍用領域已經普遍應用的激光測繪系統(tǒng)因其數(shù)千美元的高昂成本而無法在掃地機器人上得到應用。然而，“車到山前必有路”，成本不到20美元的攝像頭結合人工智能技術及云技術的方案成為了iRobot主攻的一條出路。Roomba最初的誕生就是簡單的功能同低廉的成本相妥協(xié)的產物。

長期來看，雖然計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術能夠提供越來越強大的認知、判斷能力，但只有徹底解決了行動控制、環(huán)境適應、靈敏肢體動作、人類安全接觸等“硬”技術問題，生產出行動敏捷度能夠與人類相媲美、價格也足夠低廉的產品，服務機器人產業(yè)才能真正成為改變人類社會形態(tài)、重構世界經濟結構的下一代核心產業(yè)。這樣的場景目前仍只存在于各種科幻作品中，相關廠商正努力開拓服務機器人與互聯(lián)網(wǎng)融合的新市場。DARPA則再次承擔起了中遠期關鍵技術的統(tǒng)籌組織任務。

圖6　參加DRC的波士頓動力機器人

除了“先進操作機械手組件計劃”外，DARPA還資助了大量的前瞻性的研發(fā)項目，諸如充氣式機械手臂、柔性機器人、能夠攝取生物質補充能量的自覓食機器人等。DARPA最引人注目的曝光應該是機器人挑戰(zhàn)賽 (DARPA Robotics Challenge，DRC）。在挑戰(zhàn)賽中，直立行走的機器人需要完成諸如駕駛汽車、廢墟地形移動、開門、爬梯、關閉閥門、砸碎障礙物等各種復雜操作。參賽的機器人普遍行動緩慢、跌跌撞撞。但請我們回顧DARPA的既往經驗——在2004年舉辦的自動駕駛汽車競賽上沒有一個團隊的汽車能跑到8公里；一年后就有四個團隊完成了長達132公里的全程；再到十年后的今天，無人駕駛汽車已經呼之欲出……我們有理由相信，尚還稚嫩蹣跚的服務機器人產業(yè)必將會成為經濟發(fā)展和社會進步的重要動力。