丁寧

機(jī)器人設(shè)計(jì)要以人為本，人的需求是未來(lái)城市發(fā)展的根本動(dòng)力，應(yīng)借助機(jī)器人技術(shù)與產(chǎn)品以新模式、新機(jī)制解放人的需求。未來(lái)機(jī)器與人應(yīng)當(dāng)是一種“共生關(guān)系”，在機(jī)器人研究與發(fā)展中，要做到以人為本，人機(jī)和諧發(fā)展。

2018年機(jī)器人行業(yè)發(fā)生了很多重要事件。6月29日，本田公司宣布停止研發(fā)著名的人形機(jī)器人Asimo;10月4日，由于市場(chǎng)達(dá)不到預(yù)期，Rethink Robotics公司宣布停止運(yùn)營(yíng);2018年上半年，波士頓動(dòng)力公司也提出要開(kāi)始啟動(dòng)仿生四足機(jī)器人SpotMini的商業(yè)化行動(dòng)，而在此之前，大家一直都在揣度那幾款運(yùn)動(dòng)性能驚人的“大狗”和“Atlas雙足機(jī)器人”究竟賣給誰(shuí)。從2015年至今，經(jīng)歷了3年多的機(jī)器人熱潮開(kāi)始出現(xiàn)部分明星企業(yè)倒閉，以及機(jī)器人企業(yè)方向的大幅調(diào)整等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象讓人驚訝之余，很多業(yè)內(nèi)人士也表示，這既是意料之外，也是情理之中。高端機(jī)器人產(chǎn)品落地難，那么癥結(jié)究竟在哪里？如何有效地開(kāi)展機(jī)器人產(chǎn)品的頂層設(shè)計(jì)？如何讓這類產(chǎn)品擁有持續(xù)的生命力，能夠像人們期待的那樣，在各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用？這需要梳理機(jī)器人與人、與社會(huì)的關(guān)系之后，再回過(guò)頭反思機(jī)器人技術(shù)有哪些特性？機(jī)器人究竟是什么？

機(jī)器人技術(shù)的起源是來(lái)自于人類想要制造一種具備人類自身能力的機(jī)器。因此，機(jī)器人產(chǎn)品的技術(shù)路線就是“仿生”，即仿人或生物的感知能力、運(yùn)動(dòng)能力、思維能力、材料特性、群體協(xié)作等，在這個(gè)過(guò)程中，由模仿到認(rèn)識(shí)機(jī)理，再到提升超越，也可以說(shuō)由“仿生”進(jìn)而“超生”。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)的精妙深邃之處，例如，肌肉既是驅(qū)動(dòng)單元，也是高效的長(zhǎng)期儲(chǔ)能系統(tǒng)，還是可變參數(shù)的柔性防護(hù)系統(tǒng)。

成本投入與價(jià)值輸出的平衡

機(jī)器人技術(shù)是具備“感知”、“認(rèn)知”以及“運(yùn)動(dòng)”三種技術(shù)特征的系統(tǒng)集成技術(shù)，具備一定的生物屬性。這些能力雖使得機(jī)器人系統(tǒng)變得復(fù)雜、成本激增，故障率也大幅增加，但其目的是讓機(jī)器人能夠在更為復(fù)雜多變環(huán)境中自主地完成特定任務(wù)。這種“自主性”，基于對(duì)復(fù)雜環(huán)境的感知與適應(yīng)能力和對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的識(shí)別跟蹤與實(shí)時(shí)動(dòng)作響應(yīng)，使得機(jī)器人在工作時(shí)大幅減少人工干預(yù)，減少對(duì)作業(yè)場(chǎng)景改造和屏蔽干擾，總體上實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的投入產(chǎn)出比，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，這也是所有技術(shù)和創(chuàng)新追求的基本目標(biāo)。

成本與價(jià)值核算是所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)首先要考量的指標(biāo)，包括機(jī)器人產(chǎn)品。造價(jià)百萬(wàn)美元的Asimo如果只能端茶送水是沒(méi)有銷售市場(chǎng)的。從成本結(jié)構(gòu)上來(lái)看機(jī)器人產(chǎn)品，盡管機(jī)器人的運(yùn)行成本低，主要是消耗電能，但其實(shí)現(xiàn)/制造成本極高。除工業(yè)機(jī)器人之外，大部分機(jī)器人技術(shù)發(fā)展尚處于早期、產(chǎn)業(yè)生態(tài)不完善、零部件依靠定制。同時(shí)，其使用成本也非常高，由于功能不完善，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工程、后期維護(hù)的長(zhǎng)期投入極大。而機(jī)器人能夠產(chǎn)生的社會(huì)價(jià)值卻與期望落差極大，由于應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化、碎片化，功能細(xì)分、市場(chǎng)規(guī)模小，從而導(dǎo)致機(jī)器人市場(chǎng)體量與機(jī)器人產(chǎn)品的投入不能匹配，基本的商業(yè)邏輯很難成立。

因此，當(dāng)前階段的機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從價(jià)值輸出的角度，一方面盡可能約束應(yīng)用場(chǎng)景，尋求高附加值的需求，同時(shí)跨場(chǎng)景挖掘共性需求，以聚集價(jià)值輸出擴(kuò)大市場(chǎng)空間。從成本投入的角度，一方面采用成熟的零部件和生產(chǎn)工藝，以降低實(shí)現(xiàn)/制造成本。這個(gè)環(huán)節(jié)非?？简?yàn)本體機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)級(jí)的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面，做好全生命周期成本規(guī)劃，降低長(zhǎng)期使用/維護(hù)成本，由此找到成本投入與價(jià)值輸出的平衡。而在所需要的關(guān)鍵技術(shù)未成熟之前，等待或?qū)で笃渌绞剑つ渴褂梦闯墒旒夹g(shù)將導(dǎo)致后續(xù)使用成本激增。那么當(dāng)前，哪些機(jī)器人技術(shù)是可用的？其發(fā)展路線是什么？

從體力與智力兩類能力來(lái)看，機(jī)器人的體力，體現(xiàn)在執(zhí)行能力，例如移動(dòng)和操作能力、信息傳輸、計(jì)算與交互，以及能量的轉(zhuǎn)化輸出能力，這是機(jī)器擅長(zhǎng)的。而智力方面，則體現(xiàn)在應(yīng)變能力，這是人類所擅長(zhǎng)的，例如對(duì)動(dòng)態(tài)的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)和舉一反三的學(xué)習(xí)與泛化能力。體力方面，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力在從植物型向動(dòng)物型進(jìn)化。例如工業(yè)機(jī)械臂，逐漸開(kāi)始搭載在移動(dòng)平臺(tái)上作業(yè)，工作空間大幅提升，同時(shí)對(duì)環(huán)境的感知和人機(jī)協(xié)同的能力要求大幅提升。動(dòng)物型的機(jī)器人對(duì)自身智力水平提出了躍升的需求。未來(lái)機(jī)器人會(huì)向類人型和超人型進(jìn)化。相應(yīng)地，智力開(kāi)始由類似于植物神經(jīng)系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)，推進(jìn)到當(dāng)前的弱人工智能階段，進(jìn)而是類人型機(jī)器人將具備的強(qiáng)人工智能和未來(lái)的超人工智能或者是獨(dú)立意識(shí)。對(duì)機(jī)器人智能水平的發(fā)展預(yù)測(cè)和想象造成了人類恐慌，讓人對(duì)機(jī)器人的發(fā)展存疑，我們是否有必要推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)？人與機(jī)器人的關(guān)系到底是什么？

人機(jī)共生是設(shè)計(jì)機(jī)器人產(chǎn)品的核心

站在人類立場(chǎng)上，機(jī)器人的存在意義就是能夠“為人民服務(wù)”，機(jī)器人技術(shù)從一開(kāi)始就是為了將人從繁重、危險(xiǎn)、無(wú)趣的社會(huì)角色中解脫出來(lái)而產(chǎn)生的，來(lái)自人的各層面的需求推動(dòng)這類技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。機(jī)器人具備鮮明的工具屬性以及行業(yè)屬性，各行業(yè)的裝備在未來(lái)都將具備機(jī)器人技術(shù)屬性。由于其大幅提高生產(chǎn)率的能力，其經(jīng)濟(jì)屬性和社會(huì)屬性也非常強(qiáng)。由于其自主性，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)的生產(chǎn)，則未來(lái)參與到社會(huì)分工中，與人類社會(huì)共存共融、互利共生。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是，機(jī)器人智能發(fā)展的水平約束在弱人工智能階段。因?yàn)槲覀儗?duì)自身智能、獨(dú)立意識(shí)的生成機(jī)理了解甚少，盲目推進(jìn)到強(qiáng)人工智能是非常危險(xiǎn)且不可控的。在此之前，將機(jī)器人約束在動(dòng)物型，將智能技術(shù)發(fā)展保持在弱人工智能階段，將極大地緩和機(jī)器人與人在倫理層面上的沖突，從而實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人互利共生的關(guān)系。人機(jī)共生關(guān)系的設(shè)計(jì)是機(jī)器人產(chǎn)品的核心理念，從成本價(jià)值核算到人機(jī)社會(huì)分工關(guān)系、從功能定位到技術(shù)實(shí)現(xiàn)，多個(gè)層面綜合考量以得到更有生命力的產(chǎn)品。

這種共生關(guān)系體現(xiàn)為機(jī)器人在城市發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。城市是人類社會(huì)文明和需求的載體，城市化是不可逆過(guò)程中產(chǎn)生大量的需求，推動(dòng)對(duì)機(jī)器人與智能技術(shù)的進(jìn)步。城市發(fā)展初期的基礎(chǔ)是工業(yè)，特別是高端制造業(yè)，例如汽車產(chǎn)品，數(shù)萬(wàn)零部件從螺絲到車架流水線組裝的需求孕育了工業(yè)機(jī)械臂，而汽車工業(yè)長(zhǎng)達(dá)百年的發(fā)展、豐厚的持續(xù)性收益，保障了這項(xiàng)技術(shù)從理論基礎(chǔ)到核心部件，再到產(chǎn)品體系發(fā)展成熟。城市發(fā)展到中期，維系城市生存的各類基礎(chǔ)設(shè)施，例如電力系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、集約化農(nóng)場(chǎng)以及城市服務(wù)體系，例如安防、醫(yī)療、應(yīng)急救援等的規(guī)模和面對(duì)的難題的等級(jí)都大幅增加，已逐步超出人工管理能力的范疇，對(duì)于機(jī)器人智能裝備的需求非常迫切，城市的長(zhǎng)期發(fā)展也將提供機(jī)器人裝備技術(shù)進(jìn)化至成熟的基礎(chǔ)。未來(lái)，電力、安防、礦業(yè)、核工業(yè)等專業(yè)服務(wù)/特種機(jī)器人方向?qū)l(fā)展甚至超過(guò)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模。從技術(shù)上看，這類為城市解決急難險(xiǎn)重痛點(diǎn)的機(jī)器人裝備，在理論基礎(chǔ)、核心部件可能與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人有很大不同，例如人工肌肉、柔性部件、剛?cè)狁詈?、超冗余結(jié)構(gòu)等，利用我國(guó)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，提前布局新領(lǐng)域，有利于在學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)上占據(jù)先機(jī)，形成引領(lǐng)優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)城市建設(shè)經(jīng)過(guò)高速發(fā)展40年，各類基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)始飽和。據(jù)2016年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)管道、管網(wǎng)達(dá)到192萬(wàn)公里，4000公里的地下管廊，400萬(wàn)座基站鐵塔，170萬(wàn)公里35kV以上高壓輸電線路，120萬(wàn)座市政/公路/鐵路橋梁，760座200米高度以上的大樓。各類設(shè)施在未來(lái)的10-20年逐步進(jìn)入生命周期的中后期，也是危害高發(fā)的維護(hù)管養(yǎng)階段，需要特種作業(yè)機(jī)器人輔助，替代人在大量高危工作環(huán)境中開(kāi)展健康檢測(cè)、維修與應(yīng)急處置和設(shè)備設(shè)施退役的工作。那么，是不是研究一款機(jī)器人可以搭載專用儀器設(shè)備在設(shè)施內(nèi)外部進(jìn)行自由攀爬移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、維修就可以了呢？事實(shí)上，這是功能設(shè)計(jì)為核心的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。

當(dāng)機(jī)器人產(chǎn)品具備生物屬性，具備自主移動(dòng)和作業(yè)能力，在城市環(huán)境中與人共存共生時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)把解決機(jī)器人長(zhǎng)期自主生存作為首要解決的問(wèn)題，比如考慮提供便利的能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源自給自足;適用于機(jī)器人控制與音視頻的寬窄帶融合通信基礎(chǔ)設(shè)施;符合“機(jī)器人人因工程”獨(dú)立的工作空間與作業(yè)環(huán)境等。其次，再考慮機(jī)器人自主作業(yè)的能力。在功能上，著重考慮實(shí)現(xiàn)機(jī)器人擅長(zhǎng)的體力和弱人工智能，利用“小聰明”解決好具體的剛需小問(wèn)題。最后，還要評(píng)估交互、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融合、商業(yè)模式設(shè)計(jì)等。例如，高壓輸電線路的在線攀爬巡檢機(jī)器人，我們?cè)谙乱淮O(shè)計(jì)時(shí)，首要考慮的是機(jī)器人如何能夠自主地通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)、太陽(yáng)能以及能源中繼等盡可能獲取積累有限的能源。其次，再考慮基于這樣有限能源的約束，機(jī)器人應(yīng)該怎么運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，可能作業(yè)能力、攀爬速度都大打折扣，但這樣不再需要維護(hù)人員頻繁地把設(shè)備在高壓線上搬上搬下，大幅減少了使用成本。由于能量約束，機(jī)器人就不能像猿猴一樣靈活地在線上快速攀越，而只能像毛毛蟲(chóng)般慢慢蠕動(dòng)攀爬。最后，再研究在線作業(yè)機(jī)器人的材料壽命、零部件抗電磁干擾等。

如此，機(jī)器人從輸電線路上獲取生存能源，又為輸電線路提供檢修服務(wù)，從而形成一種互利共生關(guān)系，而機(jī)器人的本體形態(tài)、運(yùn)動(dòng)策略與智能屬性與能源獲取能力及效率是相互制約、促進(jìn)的耦合關(guān)系?？傮w上，形成了基于生存條件約束的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，這是生存在城市森林中的機(jī)器人和參與到城市的能量轉(zhuǎn)換體系的指導(dǎo)原則。要進(jìn)一步推進(jìn)這種共生關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的工作非常關(guān)鍵。例如，早期地下電力管廊巡檢主要采用輪式、履帶式機(jī)器人，設(shè)備復(fù)雜且可達(dá)性不強(qiáng)。而近年來(lái)，綜合管廊的巡檢主要采用吊軌式，機(jī)器人倒掛在管廊頂部安裝好的軌道上移動(dòng)巡檢，這種方式大幅降低了設(shè)備成本和復(fù)雜度，提高了可靠性和巡檢效率。這種方式需要設(shè)計(jì)單位和建設(shè)單位相互配合，而多個(gè)單位之間的配合需要標(biāo)準(zhǔn)作為對(duì)接的語(yǔ)言進(jìn)行溝通。2018年6月發(fā)布的兩項(xiàng)特種機(jī)器人國(guó)標(biāo)就是基于此目的而設(shè)定的。建養(yǎng)一體化是未來(lái)城市基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期管理的基本模式，從設(shè)計(jì)之初就要考慮機(jī)器人等智能裝備自主開(kāi)展日常管養(yǎng)作業(yè)，就要提供機(jī)器人所需的空間、能源供給、通信等基礎(chǔ)設(shè)施，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)施中后期危害高發(fā)的階段尤為重要。

合理運(yùn)營(yíng)解決社會(huì)分工關(guān)鍵問(wèn)題

基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管養(yǎng)是城市需求的一個(gè)方面，城市應(yīng)急救援任務(wù)則更為迫切，例如超高層建筑物的滅火與救援，城市環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致夠不著、進(jìn)不去、展不開(kāi)、打不準(zhǔn)，這是消防部門(mén)最頭疼的問(wèn)題。本質(zhì)上，滅火與救援都屬于物資轉(zhuǎn)運(yùn)效率的問(wèn)題。滅火需要把安全區(qū)域的滅火物資快速集中到著火區(qū)域，救援是把著火區(qū)域的物資/人員快速轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域。安全區(qū)域與著火區(qū)域之間城市環(huán)境的阻礙就是物資轉(zhuǎn)運(yùn)的阻力，時(shí)間就是火勢(shì)發(fā)展關(guān)鍵因素。因此，要利用機(jī)器人可移動(dòng)可操作的特點(diǎn)，來(lái)處理物資搬運(yùn);利用機(jī)器人的視覺(jué)與環(huán)境感知，來(lái)提高處置的效率?；馂?zāi)救援的核心，是在火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢(shì)的初期，盡快將物資搬運(yùn)到位。當(dāng)火災(zāi)已失控，則壓制火災(zāi)物資的體量和處置的代價(jià)將遠(yuǎn)超預(yù)期，已不是某個(gè)能力極強(qiáng)的機(jī)器人或智能技術(shù)能夠解決的了。投入巨大成本研究在小概率的極端環(huán)境中搶險(xiǎn)救災(zāi)的特種機(jī)器人，在不發(fā)生事故時(shí)是資源浪費(fèi);在發(fā)生事故時(shí)，又不一定能覆蓋問(wèn)題，因此這這種方式值得反思。

本質(zhì)上，搶險(xiǎn)救災(zāi)與戰(zhàn)爭(zhēng)類似，都屬于小概率極端事件。軍事領(lǐng)域有一個(gè)概念，即平戰(zhàn)結(jié)合，是一種可供應(yīng)急救援類機(jī)器人參考有效的模式。例如，將應(yīng)急救援機(jī)器人定位為民兵，平時(shí)工作在日常崗位、戰(zhàn)時(shí)可迅速改裝前往一線作業(yè)。在超高層建筑滅火場(chǎng)景中，火災(zāi)控制的關(guān)鍵階段是火災(zāi)態(tài)勢(shì)發(fā)展剛剛超出非專業(yè)人員處置能力，且專業(yè)人員無(wú)法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)。這時(shí)滅火物資在建筑物內(nèi)基于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布進(jìn)行部署，此時(shí)由就近的機(jī)器人攜帶進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行處置，實(shí)現(xiàn)滅火物資的第一時(shí)間轉(zhuǎn)運(yùn)至火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。而這些機(jī)器人不是特殊定制的救援機(jī)器人，而是在建筑物內(nèi)部提供物流和清潔服務(wù)的，或者建筑物外墻提供外墻清掃和檢修的機(jī)器人。這些機(jī)器人是當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，除了人之外的離著火區(qū)域最近的可移動(dòng)、可轉(zhuǎn)運(yùn)物資的載體。機(jī)器人攜帶滅火物資進(jìn)入著火點(diǎn)處置的過(guò)程是自毀式的，但效率仍遠(yuǎn)高于消防人員。

本文從未來(lái)機(jī)器人與人在城市環(huán)境里共存、共生的關(guān)系出發(fā)，探討了機(jī)器人頂層設(shè)計(jì)的三個(gè)維度，首先是基于經(jīng)濟(jì)維度，從產(chǎn)品全生命周期的成本結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，客觀認(rèn)識(shí)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展階段，評(píng)估其與價(jià)值輸出的平衡關(guān)系;其次基于技術(shù)維度，首先考慮機(jī)器人長(zhǎng)期自主生存為設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)，再考慮功能設(shè)計(jì);最后基于社會(huì)分工維度，利用合理的運(yùn)營(yíng)模式使其在應(yīng)對(duì)小概率事件時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

機(jī)器人是以生物和人為參照的復(fù)雜系統(tǒng)，具有感知、認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)等生物屬性。建立共生關(guān)系是降低城市總體運(yùn)行成本的有效模式，與人共生的機(jī)器人也不再是威脅。只有把機(jī)器人當(dāng)“人”看，使其有生產(chǎn)的權(quán)利、生存的意義和“宜居宜業(yè)宜行”的環(huán)境，才能更好地為人民服務(wù)。