是什么阻擋了中國對仿生機器人的熱情

發布時間:2019-11-13 16:00    來源:AI報道
 

關鍵詞:中國 仿生機器人

摘要:“科技的推動下,我們迎來了全新的仿生企業時代。而那些將人機能力完美結合的企業,不僅能夠打造卓越的客戶體驗和關系,實現更高效的運營,還能顯著提升創新速度。”這句話發表在近期波士頓咨詢一篇題為《仿生時代已來臨,企業準備好了嗎?》的文章中。

  “科技的推動下,我們迎來了全新的仿生企業時代。而那些將人機能力完美結合的企業,不僅能夠打造卓越的客戶體驗和關系,實現更高效的運營,還能顯著提升創新速度。”這句話發表在近期波士頓咨詢一篇題為《仿生時代已來臨,企業準備好了嗎?》的文章中。

  

 

  智能重塑商業已成共識,而將仿生學與機器人領域應用需求結合,是機器人發展的高級階段和必然趨勢,影響著人類未來的定位。既然仿生機器人那么重要,在我們看來,為什么仿生機器人的發展在中國仍是個遙遠的存在?換句話說,為什么仿生機器人在中國沒有獲得足夠的關注?為什么中國資本沒有釋放出和仿生機器人價值匹配的熱情?

  或許,要解答這一問題,可以從國人對仿生機器人“美到驚艷,但沒啥鳥用”的“刻板印象”講起。

  在中國,人們談到仿生機器人,普遍會評價道“美到驚艷”“技能強大”等等,但隨后便是對仿生機器人應用價值的質疑。但仿生機器人真的是單純的為仿生而仿生嗎?答案必然是否定的!

  什么是仿生機器人?

  仿生機器人是仿生學與機器人領域應用需求結合的產物,根據仿生學原理,模仿生物的形態、結構、材料以及功能等性能優越的機電系統,它們往往是被用來專門針對特定任務而設計出來的。按照其工作環境可分為陸面仿生機器人、空中仿生機器人和水下仿生機器人三種,也有一些研究機構研究出水陸兩棲、水空兩棲、路空兩棲等具有綜合用途的仿生機器人。

  為什么機器人要仿生?

  從機器人的角度來看,仿生機器人是機器人發展的高級階段,設計初衷在于能在各種復雜環境中代替甚至做到人類所不能。而為了實現這一功能,仿生機器人需要與那些優質的軟材料、生物或人工復制的生物功能進行交互。

  有科學家推測,地球上曾經出現過的99%的物種已經滅絕。當今世界存活的千萬種生物,則是經過億萬年的適應、進化、發展而來,這使得生物體的某些部位巧奪天工,生物特性趨于完美,具有最合理、最優化的結構特點、靈活的運動特性、以及良好的適應性和生存能力。而這些生物特性為機器人的設計提供了許多有益的參考。

  仿生機器人具有生物和機器人的特點,可以從生物體上學習如自適應性、魯棒性、運動多樣性和靈活性等一系列良好的性能,但同時又比動物好操控,可以精準完成人類給出的指令。這兩種特性的結合,使得仿生機器人在反恐防爆、搶險救災、水下作業、探索太空等不適合由人來承擔任務的環境中凸顯出良好的應用前景。

  例如,仿人機器人一定程度具有人的特征,具有移動、感知、操作、學習、聯想記憶、情感交流等功能,可以適應人類的生活和工作環境;狗、壁虎、蜘蛛等仿生多足機器人具有良好的地形適應能力;仿蛇形機器人由于其細長的形體結構以及獨特的運動方式,能夠跨越窄溝和進入空洞,具有很強的環境適應性和地面運動穩定性,能夠在人類難以到達的未知環境中工作,可以廣泛應用到科學探險、生命探尋等領域;青蛙、袋鼠、跳蚤、蝗蟲等仿生跳躍機器人具有高效的彈跳越障性,在星際探測、軍事偵察及生命救援等領域具有廣闊的應用前景和重要的戰略意義。

  除了“機器代人”進行危險作業這一功能,在人口老齡化日益嚴重的當下,仿生機器人還多了一份民用價值。比如,日本為解決人口減少、超高齡化、“佛系”年輕人越來越多等社會問題,廣泛將機器人應用在傳統制造業,以及勞動力嚴重不足的護理、醫療、基礎設施和災難響應等領域,包括家庭服務。

  總的來說,仿生機器人并不是為仿生而仿生,和真實的生物相比,仿生機器人不僅具有生物的生理特質,還可以根據人類的設定,精準的去完成指定的任務。而在未來,仿生機器人不僅要適應現有的基本要求,還要適應未知的生存環境,越來越多地代替人類在人類無法工作的環境中工作。

  自然界一直是人類產生各種發明創造靈感不可替代、取之不竭的源泉。人類最早進行了陸面仿生機器人的探索,如中國三國時期的木牛流馬以及國外的機械馬引;其次,進行了空中仿生機器人探索,最早模仿鳥類的飛行進行撲翼飛行器設計;最后,是水下仿生機器人的探索。在這個探索過程中,仿生機器人從最原始的仿形,發展為不僅追求生物的形態、結構、材料,同時具備生物的自我感知、自我控制等性能特性,更接近生物原型。

  仿生機器人的早期研究主要以日美德等國的研究機構為主,背后多是出于國防、外空探索等目的。1960年9月,第一次世界仿生學大會在美國俄亥俄州的空軍基地召開。此后幾十年中,世界各國競相展開仿生技術研究,新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現。比如,早在20世紀60年代末日本早稻田大學首先展開了仿生機器人的研制方面的研究工作,其研制的WAP、WL以及WABOT系列機器人能實現基本行走功能;美籍華人鄭元芳博士1986年研制出了美國第一臺雙足步行機器人SD-l以及其改進版SD-2;加拿大麥吉爾大學、密執安大學、加州大學伯克利分校、卡內梅隆大學等機構在美國國防高級研究計劃局(DARPA)的資助下,研制“RHex”系列腿式機器人;19世紀80年代,美國航空航天局(NASA) 模仿青蛙的起跳方式,研制蛙形仿生跳躍機器人用于人空探索;2010年,德國宇航中心DLR研制具有21個自由度的手臂聯合系統“Hasy”機械手臂,是第一個采用仿生學關節進行手指設計的多指靈巧手,手指關節的運動模仿人手進行面接觸滑動而不是單純的轉動,使其運動特性與人類手指更加接近等等。

  有市場需求,就有資本的加入。談及仿生機器人企業,繞不開的幾家參與者是早期入局的日本本田、以及兩家“網紅”機器人工程技術開發公司美國波士頓動力和德國FESTO。

  日本本田:服務類仿生機器人

  仿人機器人“ASMIO”是本田技研工業的明星產品。2000年,本田第一次向世界展示了自己的仿人形機器人“ASMIO2000”,不僅具有人的外觀,還可以事先預測下一個動作并提前改變重心,這一技術使其步行動作連續流暢,被視為第一個具有世界影響力的仿人形機器人。2011年發布的“ASIMO20ll”機器人,綜合了視覺和觸覺的物體識別技術,可進行細致作業,如拿起瓶子擰開瓶蓋,將瓶中液體注入柔軟紙杯等,還能依據人類的聲音、手勢等指令,來從事相應動作,此外,還具備基本的記憶與辨識能力。

  

 

  

 

  圖丨新版ASIMO

  資料顯示,最新版本的ASIMO機器人,可以完成很多類似人類活動的工作。其最大的亮點在于手部活動的突破,每只手都擁有13個自由運動軸,已經能夠成為一個合格的手語表演者。同時,本田還對ASIMO的下肢進行了改進,使其擁有更好平衡性,能夠更快、更平穩的攀爬樓梯。本田曾表示,其最終目標是讓ASMIO進入民眾家庭并承擔諸如幫忙照顧嬰兒、老人以及殘疾病人這樣日常工作,真正變成家里人的好幫手。

  美國波士頓動力:軍用類仿生機器人

  波士頓動力是這幾年頻頻登上熱搜的一家“網紅”機器人工程技術開發公司,成立27年,打造近10款機器人,包括用于軍事的機器人。

  2005年,波士頓制作大狗機器人BigDog,負重40多公斤,能跨越障礙物,可以去到車輛到不了的復雜地形,能為士兵運送彈藥、食物等補給。2008年,仿大狗研制的“Bigdog”機器人具有環境感知和良好的適應能力,平衡性良好,能更好的的為軍方運輸。

  

 

  圖丨BigDog

  2012年,繼Big Dog之后推出的一款新型四足機器人加強版大狗LS3(阿爾法狗)公開亮相。與 Big Dog相比,可負重181.4公斤,持續工作時間長達4小時,奔跑跳躍、跨越溝渠。

  

 

  圖丨大狗LS3(阿爾法狗)

  2013年,推出的“獵豹”機器人能夠沖刺(奔跑速度最高可達到46 km/h),急轉彎,并能急剎停止,與生物原型運動較接近,被視為當時運動速度最快的仿生多足移動機器人。

  除了仿生多足機器人,還研制了多款仿人機器人,包括用于美軍檢驗防護服性能的軍用機器人“Petman”。Petman除了能完成坐、跪、蹲、起立各種較高靈活度的動作,還能調控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類生理學中的自我保護功能,一定程度上具有了人類的生理特性。

  

 

  圖丨Petman

  波士頓動力最近一次引起機器人界的轟動是在2019年9月24日,波士頓動力公司在網上公布了雙足機器人Atlas最新進展視頻。Atlas是波士頓動力2013年研制的一款仿人機器人,具備人類簡單的識別、判斷及決策功能,被認為是當時一款具有較高智能化的類人機器人。經過幾年的完善,目前重達330磅(約148.5公斤)的Atlas“運動能力”了得,不僅有跑酷、后空翻等絕技,還掌握了一項新技能:體操。

  

 

  圖丨Atlas展示“體操”新技能

  同樣是2019年9月24日,波士頓動力還宣布其四足機器人spot正式開售,這也意味著spot機器人成為波士頓動力首款商用機器人。spot系列機器人是波士頓動力公司的四足機器人,包括spot和spotmini機器人,它們可以去任何指定的地方,避讓障礙物,在極端環境中保持平衡,運載14Kg的物品,也能在雨中、多塵和極端溫度(-25°c—45°c)的環境中工作,包括惡劣的工業場景,比如監測建筑工地施工情況,以及對天氣、石油、電力設施以及公共安全進行遠程檢查等。

  據了解,波士頓動力目前洽談中的公司包括一些能源公司和太陽馬戲團等,前者可能將 Spot 用于檢查基礎設施,而后者可能將其培養成演員。

  德國FESTO:研發大于推廣

  FESTO是德國一家起點與機器人毫無干系,有著90多年歷史的家族企業,是仿生機器人領域神奇的存在。在過去的十幾年里,FESTO陸續推出海鷗、企鵝、蝴蝶、螞蟻、水母、蜻蜓、袋鼠等多款仿生機器人,可以說是開了家機電界的“動物園”。

  2006年,Festo第一款仿生動物“Airacuda”仿生魚誕生。

  2010年,FESTO研制仿鳥撲翼飛行機器人“Smartbird”,將空中仿生機器人的研究推向新的階段。碳纖維材料以及柔性翅膀使其外表更像一個海鷗,質量僅為450g,多桿聯動的精巧結構傳動設計實現了類似海鷗飛行的翅膀折疊撲動運動,且能根據需要改變撲翼的角度,極大的提高飛行效率。這款機器人可以用于航拍、隱蔽偵查、影視道具、教育娛樂等多個領域。

  

 

  

 

  圖丨飛行機器人Smartbird

  此外,FESTO研制了全球第一個能夠模擬飛行狀態的仿生蜻蜓機器人“BionicOpter”。

  2013年,FESTO研制成功仿生袋鼠跳躍機器人“BionicKangaroo”,具有高跳躍高度、距離以及起跳和落地的穩定性。模仿袋鼠的后腿設計彈跳結構,同時通過尾部擺動增強跳躍及落地過程的穩定性,能實現高效穩定的連續跳躍。

  

 

  

 

  圖丨跳躍機器人“BionicKangaroo”

  2018年,FESTO發布仿海扁蟲機器魚“BionicFinWave”,以柔軟的矽膠(Silicone)代替烏賊肉鰭,通過波浪狀拍動推動身軀,并且能實現往上、下方游動的控制。而且由于材料柔軟,使它能夠在狹小的管道內也能暢游無阻。

  

 

  圖丨仿海扁蟲機器魚BionicFinWave在模擬工作

  德國的仿生機器人一直走在前端,2019年進博會展覽上的網紅機器男孩“Roboy”也來自德國,它的骨骼、肌肉模擬人體用3D打印完成,具有一套發達的神經網絡系統,能聽、能看,會聊天,會害羞。

  中國:待墾荒

  中國近現代的仿生研究起步較晚,經歷了跟蹤國外研究、模仿國外成果到局部領域齊頭并進三個階段,并且仍處在以國家自然科學基金委員會(簡稱NSFC)資助推動為主的研究機構實驗室測試階段。

  以仿人機器人為例,2000年國防科學技術大學研制的“先行者”是我國第一臺仿人型機器人,隨后,北京理工大學研制“BHR”、哈爾濱工業大學“HIT”、清華大學“THBIP”等逐漸可以實現平地行走、上下臺階、點頭等簡單的動作。2011年,北京理工大學研制的“匯童5”具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能,突破了高速視覺的靈巧動作控制、全身協調自主反應等關鍵技術。浙江大學通過軌跡預判的方法提高了機器人對復雜情況的處理能力,實現了機器人對復雜情況的處理能力,實現了機器人打乒乓球的動作。此外,上海交通大學和哈爾濱工業大學在仿人手臂和靈巧手指方面取得了不錯的進展。

  

 

  圖丨“絕影”機器狗

  

 

  圖丨“赤兔”機器人

  在其他仿生機器人研究方面,浙江大學的“絕影”機器狗和“赤兔”機器人、山東大學四足機器人、南京航空航天大學仿壁虎機器人、哈爾濱工程大學兩棲仿生機器人、中國科學院沈陽自動化所仿蛇機器人、西北工業大學仿袋鼠彈跳機器人、北京航空航天大學仿昆蟲和機械魚等均在各自領域取得了不錯進展。總的來看,仿生機器人在高校中的發展,“國防七子”仍是中流砥柱。

  

 

  圖丨Vincross仿蜘蛛型智能機器人HEXA

  

 

  圖丨鋼鐵俠科技雙足大仿人機器人

  中國有企業入局仿生機器人研究及應用推廣嗎?有。中國兵器裝備集團的“中國大狗”仿生四足機器人,中國航天科工三院35所的海底管道漏磁內檢測器(蛇形機器人),宇樹科技的萊卡狗,優必選的四足機器人,Vincross人工智能科技公司的HEXA(仿蜘蛛型智能機器人),柯馬Rebel-S水平四軸多關節機器人,鋼鐵俠科技的雙足大仿人機器人等。

  但這些在國內排在前列的企業,在放到國際仿生機器人的平臺上較量時,無論從研究的深度還是規模,都還屬于謹慎的嘗試。

  正如前文所言,仿生機器人是機器人發展的高級階段和必然趨勢,而且已經不再是只停留在研究機構的實驗室測試,也有大的企業在推動落地。那為什么中國市場沒有釋放出與仿生機器人價值匹配的熱情?

  從技術的成熟度來看。學界認為,剛柔混合,結構、材料、驅動一體化,神經元精細控制,高效能量轉換的類生命系統是仿生機器人發展的方向。在運動方面,生物剛柔并濟的結構使其具有靈活性、高效性和輕量化等特點,增強了運動的性能和環境適應能力。而現在的研究還存在著生物運動機理研究不深,結構設計、材料應用、驅動及控制方式大多較為傳統,能量利用率低等問題,這使得仿生機器人從宏觀到微觀與生物都存在較大差異,“形似而神不似”,遠未達到實際應用程度。

  從落地的賽道來看。任何行業要得到長足發展,都離不開“以需求為導向”。研究機構認為,軍用、工業、養老是仿生機器人的三大重要應用場景。但目前國內商業化企業對于仿生機器人的重要賽道仍沒有明確的布局,反而更傾向于變現快的娛樂、教育類機器人的研發。播報天氣、網購下單、陪聊、跳舞……目前市場上仿生機器人的智商也大多止步于此,無法提供具有創新意義的服務。像國內人形機器人的代表優必選,甚至關注提升機器人的舞蹈技能高于機器人的思考能力。當然,就目前來看,優必選也確實是為數不多的實現大規模商業變現的仿生機器人企業。但長遠來看,“人形”機器人這股熱潮總會涼下來,用戶交夠“智商稅”后,最終還是會回歸理性,去關注那些能夠真正改變生活的行業應用。

  

 

  

 

  圖丨優必選機器人

  從市場接受度和商業模式來看。目前仿生機器人應用性不強,價格不菲,這也導致低量的市場接受度,以及困難的商業變現探索,包括Asimo、NAO、Pepper、Atlas等。軟銀旗下開發和銷售Pepper的軟銀機器人控股公司早在2017年3月負債已經超出資產314億日元(約合18.8億人民幣);仿生“動物園”FESTO頻出新發明,但卻很少進行后續應用的推進,被網友戲稱“美到驚艷,卻并不知道有啥鳥用”;即便是不時就會爆紅網絡并且有軍方支持的波士頓動力,也因為變現難,在2017年被谷歌母公司Alphabet出售給軟銀公司。最近兩年,波士頓動力在變現方面做了很多努力,而spot機器人作為波士頓動力首款商用機器人,接下來的成敗也將解答很多關于機器人未來的事情。

  資本在投入之前,會預判產出。大財團都沒有玩好的“游戲”,圍觀者們便更不敢入局了。在技術沒有成熟,商業化道路上的難題沒有得到解決前,仿生機器人更多仍將停留在政府支持的實驗室階段。在資本眼里,目前還處在市場教育階段的仿生機器人,作為“新鮮玩意”可以保持關注,但還不到出手的時候。因為這筆“智商稅”,用戶還沒有準備好去繳。

  從小眾走向大眾,從概念走向應用,仿生機器人的發展還有很多未知,但長期的未來,機器人若想實現向更多場景的延伸并承擔起更多元化的任務,仿生是繞不開的話題。尤其是在該行業出現“小米”一樣的成本殺手入場后,仿生機器人自然會成為機器人發展到一定階段的產物,成為改造人類生活和認知的工具。

(責編:)

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