黃強，孟非，余張國，林德福，徐彬，朵英賢

（北京理工大學，北京 100081）

一、前言

黨的“十九大”明確提出建設科技強國、數(shù)字中國、智慧社會的宏偉目標。習近平總書記在2014 年兩院院士大會上指出，機器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。

在國家政策的大力支持下，目前我國機器人及智能系統(tǒng)技術正得到飛速發(fā)展，工業(yè)機器人、服務機器人、特種機器人的研究和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)非常成熟，但是這些機器人及智能系統(tǒng)都難以適應人類居住的陸空立體環(huán)境，難以滿足多任務需求。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)是能夠適應陸空環(huán)境，具有多模態(tài)特征，具有高級智能，能夠協(xié)同完成復雜任務的機器人及智能系統(tǒng)。陸空環(huán)境指以城市為代表的500 m以下空間，包括道路、建筑物、非結構地形、低空等；多模態(tài)特征指輪式、腿足、爬行、飛行等運動模式，包括單機器人運動模式可變，以及多機器人組合變形等；高級智能指自主智能、多體協(xié)同智能、人機交互智能等；復雜任務包括災害救援、立體交通等。陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)在社會各領域具有廣泛應用前景，是促進全球科技、社會、經(jīng)濟發(fā)展的新動能。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)將成為第四次工業(yè)革命的技術突破口，將引起人類社會的革命性變革。以蒸汽機為代表的第一次工業(yè)革命開創(chuàng)了蒸汽時代，以電力大規(guī)模應用為代表的第二次工業(yè)革命開創(chuàng)了電力時代，以計算機技術為代表的第三次工業(yè)革命開創(chuàng)了信息時代，而目前以機器人和人工智能為代表的第四次工業(yè)革命將引領人類進入智能時代。陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)能夠完成一些通常需要人類智能才能完成的復雜工作，隨著其技術不斷發(fā)展與成熟，必將帶來人類社會的革命性變革。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)是智慧社會的基石，將帶來開啟智慧社會、激發(fā)人工智能的“頭雁效應”。未來的智慧社會必將是信息網(wǎng)絡泛在化、基礎設施智能化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)字化、社會治理精細化、普惠服務便捷化的狀態(tài)。在智慧社會，人類將能夠利用智能機器人技術構建全新的社會系統(tǒng)，各行各業(yè)通過智能機器人的應用可能產(chǎn)生巨大的業(yè)態(tài)變化，越來越多的職業(yè)崗位將被智能機器人所替代，人類將迎來人機共生、人機共融的時代。在這種發(fā)展動力驅(qū)動下，多模態(tài)智能機器人科學技術必將產(chǎn)生未來科技引領的“頭雁效應”。

二、陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

近年來，機器人及智能系統(tǒng)受到各國高度關注，爭相出臺相關政策，重點支持相關技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展 [1]。目前，陸地、空中機器人及智能系統(tǒng)理論與裝備都較為成熟，但是能夠同時適應陸空環(huán)境的機器人及智能系統(tǒng)在社會各領域具有廣泛應用前景，是未來的必然發(fā)展方向，受到世界各國越來越多的重視 [2]。我國的地面、空中機器人及智能系統(tǒng)與美歐存在較大差距，但是陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)各國都還處于起步階段，具有超越可能。目前陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人理論與關鍵技術還沒有形成體系，因此我國需要提前布局，搶占制高點。

（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀

機器人及智能系統(tǒng)是全球科技競爭的戰(zhàn)略焦點，各發(fā)達國家競相制定機器人發(fā)展重大戰(zhàn)略，重點支持相關技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國2017年推出了《國家機器人計劃》2.0版本[3]，目標是建立美國在下一代機器人技術及應用方面的領先地位。俄羅斯發(fā)布了《俄羅斯 2030 年前國家人工智能發(fā)展戰(zhàn)略》，目標是使其機器人居于世界領先地位，以提高人民生活質(zhì)量，確保國家安全[4]。歐洲出資 28億歐元，創(chuàng)立世界上最大的民間資助機器人SPARC創(chuàng)新計劃，目標是機器人充分進入人類生活[5]。日本政府發(fā)布《機器人新戰(zhàn)略》[6]，成立“機器人革命協(xié)議會”，要繼續(xù)保持其“機器人大國”的優(yōu)勢地位。

能夠同時適應陸空環(huán)境的機器人及系統(tǒng)在社會各領域具有廣泛應用前景，是未來的必然發(fā)展方向，各國都在加大投入以取得戰(zhàn)略優(yōu)勢。美國機器人及智能系統(tǒng)技術處于領先地位，系統(tǒng)與裝備已進入實用化。折疊翼式Transition兩棲平臺被譽為“世界上第一款真正意義上的飛行汽車”，其由美國Terrafugia 公司設計制造，是一種相當成熟的固定翼式飛行器與汽車結合的工業(yè)產(chǎn)品[7]。美國陸用機器人與空中機器人都在互相擴展，其大力支持的飛行汽車是一種多功能運兵汽車，目的是進行兵力投送、人道主義援助、自然災害救助等任務[8]。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國將智能制造與機器人項目納入面向2030 年的新一輪國家重大專項，并推出了“機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）”[9]。明確要解決制約我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，實現(xiàn)我國機器人技術與產(chǎn)業(yè)核心技術的自主可控，從而支撐智能機器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

目前機器人及智能系統(tǒng)相關的飛行器、無人車等都較為成熟，相關學科體系也較為成熟，并形成了完備產(chǎn)業(yè)鏈，但是陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)相關理論技術屬于新興學科和交叉學科，其內(nèi)容覆蓋機械工程、控制科學與工程、計算機科學與技術、兵器科學與技術、材料科學與工程、信息與通信工程、光學工程、化學工程與技術等學科，同時依賴于新型學科交叉融合創(chuàng)新。目前陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人理論與關鍵技術還沒有形成體系，因此我國需要提前布局，占領制高點。

陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)是國外限制的核心技術之一，必須構建自主體系系統(tǒng)發(fā)展。2018年，美國商務部宣布禁止對中國出口人工智能（AI）、機器人等14 類代表性新興技術。2019年，美國針對機器人與系統(tǒng)的地圖、軟件、高精度光學感知器件再次禁止出口有關技術。2020年6月，美國限制中國香港獲得機器人、AI等高科技技術及產(chǎn)品。高端機器人核心部件被日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)的公司壟斷，并且高端型號對中國禁售。國內(nèi)機器人所研制的伺服電機、減速器、伺服控制器、傳感器等關鍵部件的性能指標遠低于國際領先水平，70%以上元器件依賴進口[10]。國外研制的先進機器人多采用定制部件，根據(jù)系統(tǒng)性能提出部件指標需求，進行定制開發(fā)。我國的機器人研究多是工業(yè)部件的拼裝模式，平臺性能受限于部件性能，核心部件與國外存在代差，是智能機器人部件的“卡脖子”問題。因此我國亟需構建從部件到系統(tǒng)的自主體系，解決“卡脖子”問題。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展可以從感知、融合、決策等理論技術，執(zhí)行、計算等關鍵零部件，仿生、多域、重構、協(xié)同等平臺系統(tǒng)和多場景的應用來解決智能機器人的“卡脖子”問題，打破國外對我國高端機器人的限制和封鎖。

我國的地面及空中機器人與美歐存在較大差距，但是陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)還處于同一水平，具有超越可能。我國在該領域的研究近幾年也取得了豐碩成果。北京理工大學近年來研究了基于縱列雙涵道的水陸空多域機動載運車輛，集成了水面高速行駛、陸地高機動性行駛和空中多自由度可控機動行駛的三大主要功能，可以實現(xiàn)在各種氣候條件以及復雜地形、交通狀況下的綜合高效機動運送能力 [11]。陸空協(xié)同機器人系統(tǒng)國內(nèi)外研究都剛剛起步，處于同一水平，我國具有超越可能。

三、我國陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展存在的問題

我國目前對機器人及智能系統(tǒng)發(fā)展極為重視，出臺了多項國家重大政策進行支持。我國機器人的擁有量已超越機器人的先發(fā)國家，成為世界第一。但是對于陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)發(fā)展仍然存在問題。

（一）缺乏陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃與支持

我國目前機器人及智能系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃主要支持的是工業(yè)機器人、服務機器人、特種機器人等類型的機器人研究，這類機器人只能面向單一運動場景或任務，不具有廣泛適用性。陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)在未來社會各領域具有廣泛應用前景，是未來智慧社會的重要組成部分，美國、歐洲等制定了多項戰(zhàn)略開展研究，并開展了多項計劃，我國亟需構筑在該領域的先發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)戰(zhàn)略引領。

（二）陸空多模態(tài)機器人核心部件成為“卡脖子”問題

核心部件是制約機器人及智能系統(tǒng)性能的根本，目前我國在高端機器人系統(tǒng)驅(qū)動感知核心部件方面與國際領先水平存在的差距較大，高端部件被國外嚴重限制。國內(nèi)機器人所研制的關鍵元件的性能指標遠低于國際領先水平，主要元器件依賴進口 [12]。同時陸空多模態(tài)機器人核心部件沒有形成類似于汽車、飛機等成熟的產(chǎn)業(yè)鏈體系，工業(yè)部件性能與機器人系統(tǒng)需求不相符。

（三）沒有形成從理論研究到裝備與應用的全鏈條

機器人及智能系統(tǒng)理論技術研究與裝備應用需求連接不夠緊密，需要面向國家戰(zhàn)略，提出應用需求目標，攻克相關技術。高校、研究所的研究與裝備研制單位、系統(tǒng)應用單位缺少溝通，相關技術取得突破后，在裝備上取得應用的周期過長，平臺功能設計沒有與應用需求有機結合。因此應該采取從基礎研究、關鍵技術、系統(tǒng)集成、裝備研制、成果轉(zhuǎn)化到產(chǎn)業(yè)化的“全鏈條”發(fā)展模式。瞄準前沿學術創(chuàng)新，學科交叉融合，產(chǎn)出原創(chuàng)性成果；瞄準產(chǎn)業(yè)發(fā)展，做好產(chǎn)品布局，形成可持續(xù)發(fā)展能力。

（四）人工智能與機器人硬件系統(tǒng)缺乏有機結合

目前人工智能偏向于計算機專業(yè)，僅限于數(shù)據(jù)處理，沒有和執(zhí)行任務的機器人及智能系統(tǒng)本體結合。人工智能無法獨立地應對環(huán)境變化，在很多情況下機器人的工作都需要人類監(jiān)督。同時，人工智能的感知能力還比較弱，只是在數(shù)據(jù)處理方面的工作比較有優(yōu)勢，但人工智能的分析和理解能力太弱，比起人類大腦來說對于聚焦相關信息的能力還差距較大。機器人及智能系統(tǒng)的感知和行動智能研究缺乏，沒有引起足夠重視。

四、陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展目標與布局

針對陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的國際發(fā)展形勢和我國目前存在的問題，本文提出陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展目標、研究布局和發(fā)展路線圖。

（一）總體目標

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)瞄準智能科技、先進制造和國家安全等國家戰(zhàn)略需求，貫穿理論與關鍵技術、核心部件與單元、平臺與系統(tǒng)裝備、以及社會系統(tǒng)應用，形成相關技術體系、核心部件產(chǎn)業(yè)體系、智能機器人裝備體系以及社會應用，從而滿足國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，引領智慧社會發(fā)展。

（二）發(fā)展布局

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人的系統(tǒng)理論與關鍵技術包括多模態(tài)機器人異構重組技術、機器人協(xié)同任務實時規(guī)劃、多尺度感知與信息融合、高動態(tài)跨域組織網(wǎng)絡理論、智群協(xié)作與對抗在線決策等。

陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)核心部件與單元包括高爆發(fā)驅(qū)動、高密度能源、剛柔一體化關節(jié)等執(zhí)行部件與單元；仿生感知單元、自主導航、多維度通信等感知部件與單元；計算單元、智能芯片、網(wǎng)絡運算系統(tǒng)等智能部件與單元。

平臺與系統(tǒng)裝備包括人型、四足動物、蛇、小型昆蟲等仿生機器人；地面機動、飛行器等陸空多域機器人；單平臺模態(tài)可變、多平臺組合變形的機器人系統(tǒng)等重構機器人；陸空協(xié)同多機器人通信與指控系統(tǒng)、人機智能融合的協(xié)同控制系統(tǒng)等。

系統(tǒng)應用包括組成機器人無人班組，對城市進行安全維護；在地震或核泄漏等災后，替代人進入危險環(huán)境作業(yè)；構建智慧城市立體交通系統(tǒng)，提高人們出行效率等災害救援和立體交通應用。

（三）發(fā)展路線

1. 近期目標（2025年）

突破多模態(tài)機器人異構重組、復雜環(huán)境建模與識別、機器人自主狀態(tài)檢測與估計等關鍵技術。研制高爆發(fā)驅(qū)動、高密度能源、剛柔一體化關節(jié)等執(zhí)行部件與單元，自主導航、多維度通信等感知部件與單元，計算單元、網(wǎng)絡運算系統(tǒng)等智能部件與單元。研制仿人型、四足動物、蛇、小型昆蟲等仿生機器人；地面機動、飛行器等陸空多域機器人平臺；陸空協(xié)同多機器人通信與指控系統(tǒng)。核心部件與單元實現(xiàn)80%自主可控，平臺與系統(tǒng)裝備技術成熟度達到6級，實現(xiàn)多平臺自主協(xié)同任務演示。

2. 中期目標（2030年）

突破機器人協(xié)同任務實時規(guī)劃、多尺度感知與信息融合、惡劣環(huán)境生存與可靠性設計等關鍵技術。研制生物能驅(qū)動等執(zhí)行部件與單元，仿生感知等感知部件與單元，智能芯片等智能部件與單元。研制單平臺模態(tài)可變、多平臺組合變形的重構機器人系統(tǒng)；人機智能融合的協(xié)同控制系統(tǒng)。核心部件與單元實現(xiàn)100%自主可控，平臺與系統(tǒng)裝備技術成熟度達到8級，實現(xiàn)災害救援、立體交通等典型應用演示驗證。

3. 長期目標（2040年）

突破高動態(tài)跨域組織網(wǎng)絡理論、智群協(xié)作與對抗在線決策等技術，研制執(zhí)行、感知、智能融合的部件與單元，研制機器人智能無人班組，形成機器人核心部件的產(chǎn)業(yè)體系和智能機器人裝備體系，實現(xiàn)社會的廣泛應用。

五、陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展建議

針對我國陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展的總體目標和布局，本文提出如下具體發(fā)展建議。

（一）面向國家戰(zhàn)略需求，制定陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)總體發(fā)展規(guī)劃，搶占制高點

圍繞相關國家戰(zhàn)略，由主管部門制定《陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)發(fā)展政策指南》等文件，對陸空協(xié)同多模態(tài)智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展進行頂層設計與整體規(guī)劃。著眼形成涵蓋前沿基礎、關鍵技術、裝備/產(chǎn)品開發(fā)到成果轉(zhuǎn)化的科技創(chuàng)新全產(chǎn)業(yè)鏈條，通過與國內(nèi)外高水平研究機構、行業(yè)領軍企業(yè)等組成“產(chǎn)學研用”聯(lián)合體，有效匯聚協(xié)同創(chuàng)新戰(zhàn)略資源力量，探索有效的協(xié)同機制，形成資源優(yōu)勢互補的協(xié)同發(fā)展模式；通過重大需求牽引持續(xù)開展系統(tǒng)研究，推動我國基礎研究、應用基礎研究及其關鍵技術突破，并有效轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢，從而滿足國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略需求，引領智慧社會發(fā)展。

（二）制定核心部件研發(fā)計劃，形成陸空多模態(tài)機器人專有核心部件與單元開發(fā)體系

圍繞陸空多模態(tài)機器人核心部件建立專有研發(fā)體系，形成類似于汽車、飛機等成熟的產(chǎn)業(yè)鏈體系，從系統(tǒng)需求出發(fā)，提出核心部件指標，開展系統(tǒng)性研究。構建新型行業(yè)體制，保持制度優(yōu)勢，下大決心，堅持長期、穩(wěn)定的研發(fā)投入，助力打贏硬核技術攻堅戰(zhàn)。建立“卡脖子”核心多模態(tài)機器人部件攻關過程合作機制，優(yōu)化評價激勵機制，調(diào)動企業(yè)單位參與的積極性。

（三）加強人工智能軟件算法與機器人系統(tǒng)硬件的有機融合，聯(lián)合開展研究計劃

建議發(fā)布關于軟件智能算法和機器人本體二者并舉的理論及關鍵技術研究計劃。加強行業(yè)對機器人本體智能的重視程度，將人工智能與機器人感知、行為智能深度融合，使人工智能研究不僅停留在數(shù)據(jù)處理層面，更能與機器人及智能硬件系統(tǒng)結合，利用感知與執(zhí)行機構，自主應對環(huán)境變化，完成復雜作業(yè)任務。

（四）充分發(fā)揮各地區(qū)各單位的技術優(yōu)勢，打通從技術到產(chǎn)業(yè)化與應用的生態(tài)鏈

整合科研院校、高科技企業(yè)等創(chuàng)新資源，開展研發(fā)攻關、建立共享機制。加強科研單位與上下游企業(yè)深度合作，以核心技術攻關能力和工程化集成能力的突破為核心，通過有機協(xié)同領域上下游創(chuàng)新資源，完善機器人及智能系統(tǒng)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，構建先進機器人及智能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

（五）培養(yǎng)交叉學科、新興學科領域?qū)I(yè)人才隊伍

針對陸空多模態(tài)機器人的基礎理論、關鍵技術，完善領域?qū)W科布局，設立機器人專業(yè)，推動機器人領域一級學科建設，增加機器人相關學科方向的博士、碩士招生名額。鼓勵高校在原有基礎上拓寬機器人專業(yè)教育內(nèi)容，重視機器人與數(shù)學、計算機科學、物理學、生物學等學科專業(yè)教育的交叉融合。加強“產(chǎn)學研”合作，鼓勵高校、科研院所與企業(yè)等機構合作開展機器人學科建設。

（六）開展示范性工程建設

與航天、消防局、地震局等合作，推動陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)航天和救援示范基地建設，推動中國機器人救援行業(yè)指導標準制定。借助我國主導政府間合作戰(zhàn)略與機構（“一帶一路”、中非合作戰(zhàn)略、上海合作組織、亞洲基礎設施投資銀行等）推廣我國陸空多模態(tài)機器人系統(tǒng)技術與相關產(chǎn)品，推動中國技術向全球布局。