機器人的12項前沿技術趨勢

  美國麻省理工學院(MIT)一直是機器人科技研究的先驅,這個實驗室曾研究出獵豹、Atlas等轟動世界的軍事機器人。那么,隨著Deep Mind Alpha Go、Atlas等前沿人工智能技術的發展,機器人領域的研究會出現哪些新的趨勢呢?在CCF-GAIR全球人工智能與機器人峰會機器人專場上,MIT機器人實驗室主任、IEEE、AAAI Fellow、美國國家工程院院士Daniela Rus就此作了報告演說,講述世界機器人領域十二大前沿技術趨勢:

  

 

  Daniela Rus

  機器人領域的“摩爾定律”

  也許大家覺得這張圖未來主義,但事實上我們一定程度上已經實現了,機器人可以應用于送包裹、清理環境、貨物整理、自動駕駛、生活輔助等等場景。此外,我們也已經看到一些公司,他們已經發明了兩種單臂協作的機器人,并應用于生產。

  這些例子告訴我們的是,機器人確實已經從科幻轉為當前的科學現實。我們能夠讓機器人更加有能力,更加的有智能。

  

 

  值得一提的是,機器人領域也存在類似于“摩爾定律”這樣的顛覆性規律。包括制造工具、設計工具等領域,互聯網性能的顛覆速度每隔6年就會發生變化。同樣,工廠機器人的數量也是每隔5年就會翻一番。目前,我們暫時已經驗證了這一事實,而我相信未來這個顛覆的頻率會更高。

  未來這個世界,每個人都有可能擁有機器人,機器人就像是在路上跑的汽車一樣常見,我把它稱之為“泛在機器人”的世界。

  這些機器人將能夠與人類協作完成許多任務。當然,現在我們還沒有到達這樣的階段,因為還有很多技術問題需要解決。比如機器人如何跟人互動,如何自我推理解決問題……以及,我們如何快速、低成本地制造新的機器人?

  接下來,我跟大家分享一些技術的趨勢,這些都能夠幫助我們解決上述的問題。

  十二大機器人技術趨勢

  軟體機器人

  之前的機器人都是鋼體的,但這樣的結構并不能很好地適應各種環境。軟體是指把機器人的結構制造成柔軟靈活的,像人體結構一樣。一般來說,軟體機器人的身體結構利用軟硅膠制造的,增強其適應性,能夠適應不同的未知環境。

  

 

  基于肌肉運作的原理,我們發現這樣的構造讓機器人更加敏捷,能過更快速地完成某些特定任務。除了軟硅膠,我們還可以用水或是空氣去驅動軟體的結構。比如這個(放大版)機器人,它外形像一條蛇,而表面這些泡泡可以通過放大和縮小的動作來驅動機器人的活動。

  我們可以看到,把機器人放到管道當中時,它就可以自動去檢測周圍的環境,塑料型的適應性是鋼體機器人不可比擬的。

  同理,我們也可以去創造機器魚。它像實際的魚一樣可以活動,能夠90度的轉彎,可以快速地躲開捕獵者。全靠其軟體尾部,機器魚能夠在水中上下游動。

  我們已經看到了軟性機體的重要性,一本新的期刊《軟體機器人》期刊已經出來兩年了。通過這本期刊我們知道,軟體機器人在機器人學科當中的重要性排名最高,也就是說大家對軟體機器人的關注度是最高的。

  Manipopulatetion:靈活操作

  除了軟體機器人,另外一個改善和提高機器人的技術是:靈活的抓取、搬運操作。

  鋼體的機器人只能夠看清楚物體的大小,瞄準每一個指頭放在哪里才能抓取物體,但人不是這么操作的。我們要拿一個東西時,伸手、抓取以非常連續的動作完成,不需要思考大小還是運用哪個手指。正因為要對手指頭的位置的精準要求,讓機器人抓起行為有了很大的局限性,它們沒有辦法應對不規則的物體。

  而軟性搬放就應運而生。因為不需要仔細地看這個物體放在哪個位置,也不會受到形狀的控制。比如,它可以抓取雞蛋、紙條。正因為這個機器人有非常柔性的結構,它可以自由地應對各種不確定因素。

  

 

  我們還可以通過嵌入一些簡單的傳感器,來讓機器人擁有辨別實際物體的能力。當然,這其中還不能百分百做到,某些場景中的識別正確率偏低。橫向或者是使用兩個指頭拿成功率會高些,因為橫向抓取積累了更多的數據,知道怎么抓;而兩點抓取的信息就比較少了。

  語言交流

  就算有軟體結構,有的時候機器人也會失敗。為什么呢?如果機器人抓不住,它可以告訴人出現什么問題,但它不能。

  通過觀察可以發現,機器人在執行一個任務時,人類一點點干預也會完全改變它的計劃。如何提高人機協同互動性呢?如果機器人能過簡單說一句“幫幫我,我卡住了”,這也能解決問題,但目前它還辦不到。除此之外,如果機器人還可以自省,根據自己的數據計算出新的決策行動,從而避免這個故障。

  

 

  因此我們希望賦予機器人這個能力。我們開發了一個程序規劃系統,機器人可以通過這個規劃系統思考自己的行動過程——卡住時可以想一想“為什么卡住,怎么樣可以擺脫這個障礙”,或者把這個想法和人類溝通——“請把桌子搬起來”。

  所以想象一下,機器人必須要有溝通能力,非常清晰明確地與外界溝通。否則,它只能說“幫幫我”的話,人類過來還得檢查看一看它到底有什么問題,這樣效率就很低了。

  云端大數據幫助學習

  我們知道,機器人也需要學習。但是,我們人類從出生起每天可以接受大量的數據,從而進行學習,而對于機器人來說,數據儲存就容易內存不足。一輛自動駕駛汽車一個小時就有1TB的數據,很難分析。所以,我們需要把抽象度提高,使得收集的數據能夠達到較高階的程度,降低儲存壓力和計算量。

  舉個例子,左邊是一個GPS的數據流,如果對于這個GPS的數據流我們能夠建立起有意義的結構,就能過從中歸納出一些能提取的信息,然后做高階的推理。比如自動駕駛到了某一個位置,就知道要執行什么任務。

  

 

  從數據流當中提取數據,進行抽象處理,并歸納出有意義的信息——這是接下來要分享的核心級技術——通過一個算法,在大數據當中分析一些小的數據集,這些小型數據集能夠反映出整個數據運算結果。

  同樣一個例子:我們利用Coresete的方法,通過對視頻的分析得出數據集數,然后把不同的色彩進行集中,從中可以用分析出更多更復雜的視頻。電影畫面里面16500幀,我們只需要用1152個Coresete數據點就可以展開分析。

  多機器人系統

  只有一個機器人時,能夠完成的任務有限,我們需要許多個機器人組成一個自動化系統。所以,第五個趨勢就是多機器人系統。

  當幾個機器人組合到一起時,每個機器人都有各自負責的工作。當然了,假如現在在建一座小木屋,其中會有一個機器人負責搬零件,而另外的機器人會負責其他的工作。所以,我們可以看到這四個機器人在協作。

  機器人必須要能夠互相的交流、協調,才能夠知道要在什么時候配合同伴執行任務。這是個挑戰。它們需要了解自己的任務,又要知道整個集體任務的情況。

  

 

  按需制造

  我們的目標是,讓一個機器人可以通過3d打印機直接打印出來,但是這不是一般的外殼打印,在3D打印機當中要有驅動機制,我們可以看到里面的電子結構。這里其實是一個非常復雜的機制。

  

 

  大眾化

  讓所有人都能夠設計自己的機器人。這個想法很瘋狂嗎?有了數據庫、編程工具、3d打印等技術的基礎下,雖然不是說所有機器人都可以自動完成,但確實很多步驟是可以自動完成的。

  而與此同時,機器人事實上具有非常廣泛的用途,可以滲透到我們生活中的方方面面。比如,如果誤吞了微型物體,我們可以做一個微型折疊機器人,將其送進腸道,讓它通過折疊型來把異物包起來并從體內帶出,從而幫助我們免去微創手術;又或者說,可以利用微型機器人來給人類提供胃部治療。

  

 

  提早學習機器人

  讓學生提早開始進行機器人學習,用編程工具創造出各種各樣的機器人。我們希望達到的目的是,用機器人的魔力吸引學生——不僅是機器人外殼,也需要學會編程等軟能力。讓學生兒童愉悅地進入機器人的世界,逐步投入到機器人行業當中。

  

 

  學術界與工業界的合作競爭

  我們現在面對的是一個前所未有的計算機行業變革。我們需要有學術界有前瞻性或是異想天開的想法,也需要工業界的配合來把這些想法做成產品。與此同時,政府也應該參與其中,提出正確的執行方案,讓機器人能夠真正發揮作用。美國DARPA就是一個很好的案例。

  一年前,豐田汽車找到麻省理工。該公司表示,駕駛是充滿危險的,現在每年全世界因交通事故而喪生的人達到150萬。通過產學合作,把學術的智慧運用在產業界的困難當中,這樣才能更好地研發智能駕駛汽車。

  自動駕駛

  麻省理工也在進行智能駕駛汽車的研發,于2010年中新加坡提出這樣一個方案。智能駕駛與自動約車服務的結合,為城市提供自動汽車網絡。

  

 

  然而一般來說,我們只能在簡單的環境當中駕駛,以真正駕駛環境中還有很多的障礙需要克服。

  商業投資和創業

  現在這個世界也紛紛意識到了機器人領域的機遇。近年來,機器人領域發生了大規模的投資,2015年就有大約20億美元規模的投資并購交易。

  中國的革新性

  中國確確實實要在機器人方面引領變革。我在此提出一個愿景,未來的工廠會有更多的機器人跟工人并肩工作,未來機器人會比現在的更加先進。

  事實上,我們需不需要擔心機器人取代我們呢?事實上我們更應該擔心的事,我們建造機器人的速度還不夠快。在中國,到了2050年就只有20%的人仍處于工作年齡,所以更應該加速機器人的生產制造以彌補勞動力的短缺。(來源:雷鋒網)

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  現代高端科技研制的各種類型機器人,已經在眾多的領域得到較廣泛的應用,占有舉重輕足的地位。科學在不斷地發展,機器人制造工藝的各項性能水平也在不斷地得已提升。從較早期只能執行簡單程序,重復簡單動作的工業機器人,發展到如今裝載智能程序有較強智能表現的智能機器人,以及正在努力研制的具備猶如人類復雜意識般的意識化機器人。

  機器人的分類

  誕生于科幻小說之中一樣,人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊,才給了人們充分的想象和創造空間。

  中國的機器人專家從應用環境出發,將機器人分為兩大類,即工業機器人和特種機器人。

  所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人,包括:服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。

  在特種機器人中,有些分支發展很快,有獨立成體系的趨勢,如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。國際上的機器人學者,從應用環境出發將機器人也分為兩類:制造環境下的工業機器人和非制造環境下的服務與仿人型機器人,這和中國的分類是一致的。

  空中機器人又叫無人機器,在軍用機器人家族中,無人機是科研活動最活躍、技術進步最大、研究及采購經費投入最多、實戰經驗最豐富的領域。80多年來,世界無人機的發展基本上是以美國為主線向前推進的,無論從技術水平還是無人機的種類和數量來看,美國均居世界之首位。

  機器人具體類型大致可分為:家務型、操作型、程控型、數控型、搜救類、示教再現型、感覺控制型、適應控制型、學習控制型及人工智能型等等。

  機器人的發展特點

  如今機器人發展的特點可概括為:橫向上,應用面越來越寬。

  由95%的工業應用擴展到更多領域的非工業應用。像做手術、采摘水果、剪枝、巷道掘進、偵查、排雷,還有空間機器人、潛海機器人。機器人應用無限制,只要能想到的,就可以去創造實現;

  縱向上,機器人的種類會越來越多,像進入人體的微型機器人,已成為一個新方向,可以小到像一個米粒般大小;機器人智能化得到加強,機器人會更加聰明。

  機器人行業發展前景

  “中國制造2025”其中一個積極重要的部分就是機器人產業。

  預計到2025年,機器人工業產值預期可以達到4.5萬億美元,其中2.6萬億來自提高并延長人類壽命,1.4萬億可能來自工業自動化和商業服務任務;在工業和服務領域使用先進機器人承擔的工作量相當于7500萬全職職工。最終,節約時間的家用服務機器人創造效益可達5000億美元。

  談到機器人和人工智能的關系,機器人并不是只需要人工智能技術,還需要傳感器等更多的東西,是一個更大的系統。

  機器人產業的發展中,中國引進機器人有很早的歷史,汽車行業自動生產線上的機器人多數都是從國外進口。2014年,全世界生產機器人中間有40%是中國消費。同時,中國正在發展機器人產業,且南北方風格不同:北方生“硬”機器人,就是我們常見的生產線上的機器臂,這種機器人發展的比較早;而南方提倡的是做“軟”機器人,即醫療、老人看護等服務機器人。

  機器人未來發展趨勢

  機器人的發展史猶如人類的文明和進化史在不斷地向著更高級發展。從原則上說,意識化機器人已是機器人的高級形態,不過意識又可劃分為簡單意識和復雜意識之類。

  對于人類來說,是具有非常完美的復雜意識,而現代所謂的意識機器人,最多只是簡單化意識,對于未來意識化智能機器人很可能的幾大發展趨勢,在這里概括性地分析如下:

  一、語言交流功能越來越完美

  智能機器人,既然已經被賦予“人”的特殊稱義,那當然需要有比較完美的語言功能,這樣就能與人類進行一定的,甚至完美的語言交流,所以機器人語言功能的完善是一個非常重要的環節。主要是依賴于其內部存儲器內預先儲存大量的語音語句和文字詞匯語句,其語言的能力取決于,數據庫內儲存語句量的大小,以其儲存的語言范圍。

  對于未來智能機器人的語言交流功能會越來越完美化,是一個必然性趨勢,在人類的完美設計程序下,它們能輕松地掌握多個國家的語言,遠高于人類的學習能力。

  另外,機器人還能進行自我的語言詞匯重組能力,就是當人類與之交流時,若遇到語言包程序中沒有的語句或詞匯時,可以自動地用相關的或相近意思詞組,按句子的結構重組成一句新句子來回答,這也相當于類似人類的學習能力和邏輯能力,是一種意識化的表現。

  二、各種動作的完美化

  機器人的動作是相對于模仿人類動作來說的,我們知道人類能做的動作是極至多樣化的,招手、握手、走、跑、跳、等各種手勢,都是人類的慣用動作。不過現代智能機器人雖也能模仿人的部分動作,不過相對是有點僵化的感覺,或者動作是比較緩慢的。

  未來機器人將以更靈活的類似人類的關節和仿真人造肌肉,使其動作更像人類,模仿人的所有動作,甚至做得更有形將成為可能。還有可能做出一些普通人很難做出的動作,如平地翻跟斗,倒立等。

  三、外形越來越酷似人類

  科學家研制越來越高級的智能機器人,是主要以人類自身形體為參照對象的。自然先需有一個很仿真的人型外表是首要前提,在這一方面日本應該是相對領先的,國內也是非常優秀的。

  對于未來機器人,仿真程度很有可能達到即使你近在咫尺細看它的外在,你也只會把它當成人類,很難分辯是機器人,這種狀況就如美國科幻大片《終結者》中的機器人物造型具有極至完美的人類外表。

  四、復原功能越來越強大

  凡是人類都會有生老病死,而對于機器人來說,雖無此生物的常規死亡現象,但也有一系列的故障發生時刻,如內部原件故障、線路故障、機械故障、干擾性故障等。這些故障也相當于人類的病理現象。

  未來智能機器人將具備越來越強大的自行復原功能,對于自身內部零件等運行情況,機器人會隨時自行檢索一切狀況,并做到及時排除。它和檢索功能就像我們人類感覺身體哪里不舒服一樣是智能意識的表現。

  五、體內能量儲存越來越大

  智能機器人的一切活動都需要體內持續的能量支持,這就像人類需要吃飯是同一道理,不吃會沒力氣,會餓死。機器人動力源多數使用電能,供應電能就需要大容量的蓄電池,對于機器人的電能消耗應該說是較大的。

  現代蓄電池的蓄電量都是較有限的,可能滿足不了機器人的長久動力需求,而且蓄電池容量越大充電時間也往往需越長,這樣就顯得較為麻煩。

  針對能量儲存供應問題,未來應該會有多種解決方式,最理想的能源應該就是可控核聚變能,微不足道的質量就能持續釋放非常巨大的能量,機器人若以聚變能為動力,永久性運行將得以實現。

  不過這種技術對人類來說,簡直太困難了,現在人類連熱核聚變裝置的穩定運行都還有許多難點要攻克,冷聚變能否實現還是一個謎,所以核聚變動力實現是遙遙無期的。

  另外,未來還很可能制造出一種超級能量儲量器,也是充電的,但有別于蓄電池在多次充電放電后,蓄電能力會逐步下降的缺點,能量儲存器基本可永久保持儲能效率。且充電快速而高效,單位體積儲存能量相當于傳統大容量蓄電池的百倍以上,也許這將成為智能機器人的理想動力供應源。

  六、邏輯分析能力越來越強

  人類的大部分行為能力是需要借助于邏輯分析,例如思考問題需要非常明確的邏輯推理分析能力,而相對平常化的走路,說話之類看似不需要多想的事,其實也是種簡單邏輯,因為走路需要的是平衡性,大腦在根據路狀不斷地分析判斷該怎么走才不至于摔倒,而機器人走路則是要通過復雜的計算來進行。

  對于智能機器人為了完美化模仿人類,科學家未來會不斷地賦予它許多邏輯分析程序功能,這也相當于是智能的表現。如自行重組相應詞匯成新的句子是邏輯能力的完美表現形式,還有若自身能量不足,可以自行充電,而不需要主人幫助,那是一種意識表現。

  總之邏輯分析有助人機器人自身完成許多工作,在不需要人類幫助的同時,還可以盡量地幫助人類完成一些任務,甚至是比較復雜化的任務。

  七、具備越來越多樣化功能

  人類制造機器人的目的是為人類所服務的,所以就會盡可能地把它變成多功能化,比如在家庭中,可以成為機器人保姆。會你掃地、吸塵、還可以做你的談天朋友,還可以為你看護小孩。到外面時,機器人可以幫你搬一些重物,或提一些東西,甚至還能當你的私人保鏢。

  另外,未來高級智能機器人還會具備多樣化的變形功能,比方從人形狀態,變成一輛豪華的汽車也是有可能的,這似乎是真正意義上的變形金剛了,它載著你到處駛馳于你想去的任何地方,這種比較理想的設想,在未來都是有可能實現的。

  我們目前還不能預料未來機器人新的用途。因為世界上很多機器人的形式跟大家腦子里想到的機器人是很不一樣的。包括現在很多汽車里面的智能軟件,它能幫你自動導航,這實際上也是機器人的功能之一。

  而且,機器人的價格越來越便宜,目前有精確靈敏度的機器人價格大概在10萬美金左右,預計到2025年,價格可以降到5萬多美金,每年價格下降10%。這個速度可能會比預想的更快,因為整個芯片產業發展非常快,如果機器人生產規模能夠有很大的發展的話,相信這個價格肯定會比這個便宜得多。機器人會產生巨大的經濟價值,能夠代替很多人的工作,以后人們不需要從事這類體力勞動。

  最后是人比機器人聰明還是機器人比人聰明?人發明了機器人,機器人也不斷在學習,能夠增加自己的知識,我們一天要睡8個小時、工作12個小時、玩4個小時,而機器人一天24個小時,只要有電源就會不斷學習,它積累知識的過程可能比人類更快。這或將是我們日后發展人工智能必須要考慮的一點。

發布時間:2016-09-22 10:07 點擊數: