前言

5月30日週三晚，北京大學“人工智能前沿與產業趨勢”第十三講，本期北京航空航天大學博士生導師、機器人研究所名譽所長王田苗，分享了近期由機器人行業發生的變化引起的思考，以及整個機器人行業的發展和應用的相關內容。

本期內容案例與理論結合，深入淺出，量子位作爲合作媒體，爲大家帶來詳細課程筆記一份。

主講嘉賓：王田苗，北京航空航天大學博士生導師，機器人研究所名譽所長、智能技術與機器人iTR實驗室主任、國家特聘教授長江學者、國家傑出青年基金獲得者、國務院學位委員會學科評議專家組成員、國防科技機器人創新團隊帶頭人、中國電子學會嵌入式系統與機器人分會主任委員、中國自動化學會機器人專業委員會副主任、IEEE機器人與自動化學會北京地區主席。

課程導師：雷鳴，天使投資人，百度創始七劍客之一，酷我音樂創始人，北京大學信科人工智能創新中心主任，2000年獲得北京大學計算機碩士學位，2005年獲得斯坦福商學院MBA學位，同時也是“千人計劃”特聘專家。

最近三個月的劇變

今天講的內容分成兩部分：第一個是這兩三個月在機器人行業發生的一些事情，由此引起的一些思考；然後是我自己在這方面的一些研究，以及整個行業人工智能和機器人發展的動力。

今年國內的工業機器人，特別是輕型機械臂，非常火爆。

機器人有三大關鍵部件：減速器、電機伺服和控制器，其中減速器最重要，而且需要排隊購買。

輕型的六個自由度的機械臂銷售價，現在差不多兩萬四、兩萬五左右，這個數字意味着，如果這個機器人能夠完成相應的搬運焊接，它就能頂兩個人的工作量，也就是當年就能收回投資成本。

這樣就造成了中國機器人目前以25%的速度在增長，已經連續了三年。目前世界上40%的機器人都應用在中國。這樣的發展會讓人有一種感覺：企業都有機器，有無人化車間的可能。

另外亞馬遜正式宣佈由前蘋果高管，來組織一個家用機器人的開發。其中第一個研發項目是交流會話，第二個是識別，第三個是能夠接一些快件，甚至將來還可以陪護或者交流。

這個信息在業界還是很震動。因爲在很多互聯網公司裏，只有亞馬遜有硬件的基因。十年以前亞馬遜的電子書就拿下了60%全球的市場。

六年前，亞馬遜創造性地做了電商，然後收購物流配送；四年前，亞馬遜將人工智能和音箱、音樂結合起來，出了智能音箱叫Echo，在世界上爆賣。谷歌在2016年的時候也推出了音響，但是遠遠落後於亞馬遜。

所以當亞馬遜推出這個機器人的時候，人們突然感覺它也在革自己的命。因爲這臺機器人的推出意味着，音箱的功能將會全部集成到這上面，產品將會換代。

這個月25號的時候，歐盟的一版數據保護法引起了很大的轟動，其中最重要的一個規則就是：將來每個客戶的數據的更改保存和使用都要經過個人的認可。這個事情對谷歌、Facebook等公司都將提出非常嚴厲的考驗，包括在醫學上。

最近還有沃森，本來在人們心目中他是一個有代表性的做人工智能的醫療診斷方案助手的公司。但它60~70%的大規模裁員，這背後代表了什麼？

以上是我想說的最近這三個月所發生的事情，在解釋這些事之前，先談一下我對智能機器人發展的一些思考。

智能機器人發展的思考

在15年前，我的學生就開始研究仿生機器魚。

螺旋槳矢量推進在水下已經應用得很廣泛了，但是由於它有空泡有噪聲，在隱蔽性等方面引起了質疑。

通過對機器魚整個的分析和研究，人們在想有沒有可能未來出現替代螺旋槳，像自然界進化的魚類一樣，用軟體的樣子來進行推動，這是我們研究的。在這個方面，有MIT的實驗室、有日本的，美國的，還有英國等其中各種各樣的研究。

這個研究就是尾部以漩渦的方式產生了一個積極運作。從流體力學來說，就是形成了漩渦來推動機器往前走。在這個研究中，通過養魚、加上攝像頭等方式，按照一些數學模型來觀測，還可以觀察它的頻率。

在這個頻率中，通過數學方法可以建立波推動的理論。這個理論可以應用在我們的模型上，比如說用在六個自由度上。

那能不能把它做成圓的呢？因爲形狀是圓的，裏面就可以裝傳感器，裝儀器等。

在這個理論上基礎上，六個自由度可以，那麼四個行不行？三個行不行，最少是多少？它拍動的頻率應該是多少？拍動的幅度是多大？尾鰭的形狀會不會影響魚行走的速度？

我們經過研究最後得出結論：從工程上來解釋的時候，兩個自由度最佳，因爲它自由度小，意味着方便製造、設計和裝配。

用這張圖來說明我們在不同時期所設計的機器魚。

爲了深入地研究這些關係，會指導學生去深入研究流體力學所產生的一些科學問題，包括研究一些拍動的頻率幅度弓角和相位差，用到推力頻率和推動之間的數學模型上，來研究效率。

這一點非常自豪，感覺通過我們的研究，採用仿生推進機理的效率比傳統螺旋槳要高，因爲拍動的時候它一定會有效率有力，而且會平滑很長時間，不像螺旋槳空的時候有空泡，有時候有做負功。

在這樣的研究下，我們一直想提高速度。比如一個海豚，小海豚假設60公斤，它的推力是什麼？在一個水池裏，架子上有一個力傳感器，然後通過線來拍動它；當拍動的時候，力傳感器爲零，那麼魚的重量就正好是推力的重量。

那麼在實際的這個應用中，如何搭建這個平臺？

我們有兩個方案：

一個方案是在一個有水潮的水池裏，有8根張線，每個張線有力傳感器，水潮按照一定速度來流，流的速度正好可以被檢測到；後面尾氣的大小可以換方的，可以換窄的，可以換協調，然後推動來使這個魚往前走。當遊的速度正好和水的速度相同的時候，繩子上的力從理論上講，δ就趨近於0，那麼這時候就能估算出這個機器魚的速度，隨後就可以換不同尾鰭的形狀，換拍動的頻率，換拍動的幅度，換兩個自由度等等。

爲了更科學地來計算它，可以在水池裏打上類似粒子的東西。

我們目前把研究課題組分成了兩個小組：一個小組接着再做解決仿真機器魚速度的問題；另一個是在思考能不能跟海空跨介質一起。這樣的一些項目我們還在研究和論證中。

第二個方案是把機器魚的智能材料應用在工業界，這就是我們所說的軟體手。

工業機器人只能從事0.5%到1%的工作，99%的工作基本上還替代不了。當然這個比例現在還在增加，但不管怎麼樣，其中很重要的研究課題是機器手的靈巧作業。

所以我們在想，有沒有可能設計和製造一種靈巧手，他像人具有肌肉一樣，不需要傳統的機械加工，不需要傳統的電機，完全用人工肌肉方法來探索，而且這種研究是不是能夠適合於後工業時代，像很平常的東西一樣被應用。如果這樣的話，又需要考慮成本在未來的工業界是不是能被接受。

爲此，我們就從智能材料和數學建模的角度來考慮。這樣一個軟體手，它的根部和手指材料可以不一樣，是不是可以利用3D打印來做不同的材料配方，利用硅膠材料建立這樣的模型。

在結構上，是不是利用高彈性的硅膠材料，加上不同的材料配方3D打印？這與內部的驅動有關係，這個驅動採用氣體，或者採用液體。這就是我們的整個工藝，在這個工藝下就可以形成結構。

在結構中又會思考：完全是硅膠，會不會幹度有問題？爲此我們在智能材料和低熔點的傳感器上，利用工藝方法，底下一層是低熔點的金屬，再加硅材料，然後加一些形狀，再利用3D打印融合起來。

這個事情一旦解決，就得出了“剛柔耦合”的靈巧手。

加了電，在低熔點的時候，金屬是軟的，承受50毫克的重量就會被壓趴下；如果冷卻不上電的時候，承受300克都不會彎。這就是幹度耦合，也就是在一定程度上可以軟的金屬，加熱變軟之後又能夠連接起來。

這樣的結構和形狀就是可變化的，比如說抓方形的東西可以是方形結構，抓圓狀的東西可以是圓形結構。

在實驗的過程中，讓我們特別感到有前景的是，傳統的機電手不僅有利於傳感器，而且三個手指中，如果每個手指有三個自由度，成本大概在20萬到25萬，而軟體手整個的成本只有它的1/10。

醫療機器人

通過這樣的研究，大家是不是有這樣的一種感覺：當今科技的創新，越來越強調基礎學科的交叉。

我在清華博士後的時候，從事移動機器人，也就是無人車。隨後在張博院士推薦下，到了歐盟就參加了歐共體的醫療相關項目。

那個時候是1995年，當時這種研究可以完全認爲是實驗室，至少在我當時跟很多老師交流的時候，他們會覺得中國工業機器人都還沒有進入應用，醫療相關的離應用更遙遠。

現在回過頭來看，我們這25年，像達芬奇這樣的醫療機器人，就已經大踏步地從實驗室就走到了醫院，而且不僅走到了醫院，應用還很廣泛，在軟組織上，包括心胸科、腹腔、闌尾炎、泌尿科等等都有應用。

這些應用帶來的發展，一是有限的醫生能夠做更多的手術了。二是過去靠實體眼睛看穿刺或者是縫合，現在能夠放大40倍。

在爲醫生打造醫療機器人助手的時候，首先要解決一個定位問題，尤其是空間定位。我們用了兩個雙層模板，一個模板是用方的，上面有mark點牽玻璃，然後第二層用了圓的，也是由mark點，同時利用C型臂垂直照一下。垂直照了以後，圖像上可以看到兩幅圖：一個是圓的圖形，一個是方的圖形。這個圖形的兩個點，把它串起來就是一條空間的直線。

如果把C型臂在水平照一下，同樣也可以看到這個圖像又是一條線。這兩條線的交集，和要對準的那個點實際上是統一的，把這個點進行一個二乘，方差最小的時候就能得到這個點，這個點就是穿刺的位置。

這就是我們自己在理論上的一點點的貢獻，稱爲“雙平面定位”。在這方面我們的精度由原來的三毫米提高到一毫米，由一毫米提高到0.5毫米，能夠在臨牀上廣泛的應用。

這樣的方法在腦外科之間是相通的。

在這個算法中，形成座標系之後，如何將CT核磁的座標系的腫瘤或者是腦出血的把柄映射到手術室？在國外，機器人、CT、手術牀是一體的，標定了一次之後，後續可以繼續沿用。但在國內，放射科是分開的，所以我們需要用不同的mark點來設計。

mark點到一定點距離、點的個數，其實和我們的精度都有關係。mark點實際上在數學裏可以重構一個新的reference,在此基礎上可以方便地把CT和核磁腫瘤的信息，以及新構造的reference對應起來。當把病人推到手術室，在手術室裏利用視覺或者機器人對mark點進行再識別，又可以重構新的一個reference。

reference和機器人是對應的，reference和CT核磁時候的信息是match的，所以所有軌跡的規劃就能映射出來。但是在軌跡規劃過程中，穿刺到底是在什麼位置，需要依賴於醫生的知識。

這個原型系統包括座標規劃、機械臂和機器人。我在這方面研究了15年，學生一茬又一茬地畢業，有的學生出去以後進公司，又和醫院，和北航不斷地合作。

腦外科對於帕金森的治療

坐輪椅走路很不方便，通過穿刺放入相應的藥物，使病人能有所恢復，並且能夠自由行走。

目前這方面的研究，我們跟相關學科都有合作，包括：物理學、計算機學等。

光子放療這樣的高端設備，其中機器人加上一個臂，這個臂的末端是核的放射加速器。牀是另外一個機械臂，再通過規劃，這樣的話對放療精準有很大的提高。這個項目目前也是在思考中。

服務機器人

我有位學生做短途代步方面機器人，在工程應用和商業上創業，他有提出一些自己的創新的想法，在這裏跟大家分享一下。

他們做的機器人叫“納恩博”，開始做to B的市場，在旅遊景點上來使用，一個人花20塊錢，那麼能夠站上10分鐘或者是15分鐘，在這個過程中發現使用空間還很有限。

於是想要做To C的市場，爲了解決安全性，就把杆子給砍了，就是我們現在街上所看到的平衡車。

然後在這上面又可以有升降，上面可以有不同攝像頭，可以有不同的形狀。爲了提高安全性，從人的姿態出發，人的姿態、角度和陀螺有關係，所以在陀螺上做了雙備份，從控制到電池，到還有結構，成本非常高。

非常高興的是他們一直是沿着高端路線走。在當時，其他友商的一些產品，都是採用殺價、鋪量的路線，而他們一直和一些明星合作，和一些高端的客戶走海外的市場。

但在專利上還很有壁壘，最後在小米、紅杉的支持下，全資收購了當時最大的專利公司賽博威。

助力南極科考機器人

2012年，我在南極呆了幾個月，做相關研究。研究大氣變化和地質演變，研究南極的煤礦、石油、金礦是否存在。在那樣惡劣的環境下，有沒有可能用無人值守的機器人來探索，借用風能和太陽能給電池充電。

如果移動機器人在南極適用，那麼在當今物流中也是可以廣泛應用的，比如說汽車，在汽車製造廠可以借用機器人充當物流搬運汽車，而在停車場可以利用機器人停車來方便人們停車以及提高停車空間的利用率。

關於停車方面，我們在做這個方面的研究時發現，停車機器人還有很多問題，比如機器人的調度，累積誤差，使用者停車取車相關數據的使用等等。

從機器人狹義的理解來看，機器人實際是一個能移動和操作的機械平臺，而操作移動平臺的思考，識別和智能，是由人工智能的大腦完成的。

機器的智能

我羅列了在2017年所有和機器人相關的東西，我的第一感覺是，人工智能中語音識別和思考，大大提高了人工智能在市場上的應用，同時又把這些技術放在機器人的大腦上，而推動了機器人的發展。

第二個感覺是軟體材料和軟體機器人結構，是機器人發展的一個重要動態。機器人沒有走進家庭，除了我們所說的認知、交互和智能方面的原因，還有一個原因是這樣的載體，要麼不安全，要麼成本很貴。這五年很多科學家就想從載體這方面進行突破。

人工智能在1956年就提出了，爲什麼會在如今這個時刻得到政府，工業界，學術界高度的重視？

前幾天參加了崑山杜克大學關於人工智能的一個論壇，其中普華永道的分析師通過一系列數據，認爲AI將對很多行業產生很大的影響。這就引發了我們的思考，在未來5到10年是否會有拐點的出現？所謂拐點，就是它會帶動所有行業，重新洗牌，改變產品的功能、製造模式，甚至改變我們的生活方式。

所以有人說，在未來5~10年，廠廠都有工業機器人，並且有望進入無人化工廠模式，機器人代替人去做單調的重複的工作，還有無人駕駛，服務機器人，養老機器人，5G，無處不在的人機交互，區塊鏈等等技術的發展。而另一方面，法律和倫理也是面臨的挑戰和難題，比如最典型的是AI的數據和排序的真實性，還有AI對我們身體的健康評估，對人類的就業問題等。

人工智能的歷史發展，從圖靈第一次定義了什麼是智能開始，到軍用的民用的機器人發展，人們對其賦予人的各種智慧的想象。

1956年的時候創建了很多實驗室，希望能在20年內研製出能模仿人類一切活動的機器，但限於當時的背景環境，失敗了。後來發展到5代計算機、推理機、AlphaGo等等出現。這個歷程是個人理解，只作爲分享。

顛覆性的技術，都是靠與其基礎的交叉學科來突破，但是好奇、想象，和現實的需求很難得到統一，而真正落地的是一些有痛點，而社會又能負的起的應用，所以歷史就是這麼反覆交匯形成的。

在機器人上也是一樣發展的，從科學幻想到阿西莫夫三個規則，再到機器人專業手一直做不下去，後來在摩托車和汽車焊接線上得到利用，誕生了工業機器人，誕生的時代正好是70年代，而在這之前就有很多機器人研究的鋪墊，人們一直研究機器人是因爲有些特殊情況下人無法解決，比如說空間，軍用，狹小的水下，管道等等，需要尋找替代人的東西。

機器人發展的歷程，讓人思考：同樣是60年，同時代的個人計算機已經走入了千家萬戶，而機器人和人工智能沒有走出來，在現在這個時間點上，機器人和人工智能能不能走出來，走進千家萬戶形成一個大的產業，迅速從2G到2B，再到2C，顛覆很多行業？

社會痛點、基礎學科、科學家的幻想等一系列因素推動技術的發展，在這樣一個歷史時代下，我把機器人與人工智能合一起，定義爲智能的機器，這樣便於理解社會的需求和痛點。

但是真正被社會接納的產品，不僅依賴於需求，也依賴社會的發展形態和人的經濟所能支付的能力。在未來的社會里，由於豐富的製造，安全，醫療，和競爭需求，它們就變成動力來推動產品的實現。

在發達地區，從需求的角度理解，個性化的需求和製造就很重要，而在解決表露問題時，就派生出新的產品和服務，而這樣的派生下，就出現了無人車，精準醫療，個性化的文化服務。需求有時候不能直接推動技術產品，它必須和社會形態、支付能力相關。

在當今社會條件下，大家有沒有感覺，由於生活工作學習的節奏，由於我們國家的物質生活的豐富，已經淡化了個人需求，要由數據推送來進行服務消費。

這就形成了一個新模式：通過獲取個人的需求來調整整個製造。這就是數據入口重要性的原因。

最後總結一下：智能時代的到來，它會改變我們很多方面，這個改變的時代有三個特徵：顛覆性，涉及幾乎所有行業的洗牌，以及很快從2G2B2C的轉變。

Q&A

您在機器人方面做了很多的研究，現階段來，我們對智能機器人看到的多，用到的少，那麼在未來，會有什麼樣的智能機器人能進入我們的生活，在這中間需要一些什麼樣的技術和其它地方的突破？

我們生活在一個水煮青蛙的時代，大家不去仔細感覺，其實周邊有很多單頻的機器人，它已經在廣泛的應用，比如說航拍，物流配送，展覽大廳，醫療等等。而關於何時到家庭中，無處不在，這個問題上目前還沒有找到相對統一的形態的機器。

這裏有兩種思路，有科學家認爲可以不特定假想成一個人，只要有交互能完成特定工作就滿足了；還有一種思路，能不能有一個標準的模塊，比如仿人，但是從現在來看，目前的成本，安全，（非結構環節）都是對這個事是有質疑的。

目前在硬件方面中國目前還比較欠缺，在硬件方面，中國和歐美現在有多大的差距，未來會有什麼樣的發展呢？

從宏觀來說，硬件方面追趕可能有5-10年。

基礎的傳感器，基礎的部件，由於貿易的關係，從設計到製造、檢測、組裝等等環節都會受影響，這也是對國家的發展提出一些思考，看似消極，實則是能促進發展的。

個人認爲中國在終端和中等水平的製造上，中國人因爲勤奮，勤於優化，趕上國際水平可能還會更快一些，例如手機、吸塵器等等，別人提前10年有的，我們現在已經是世界第一。

所以綜合來看，硬件方面的追趕可能還有5-10年。

☞來源：量子位

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