在7月舉辦的2022京港青年科創(chuàng)論壇中，我們邀請到世界知名機器人領域?qū)＜蚁瘜幗淌趲怼稒C器人與自動化的機遇和挑戰(zhàn)》主題演講，以下文稿根據(jù)席教授演講整理而成。

席寧

香港大學

工業(yè)及制造系統(tǒng)系機器人與自動化

首席教授

機器人技術的發(fā)展已經(jīng)有60多年歷史，其發(fā)展動力主要來自兩個方向：一是新技術的推動，新的計算機技術、新的傳感器技術、新的控制方法等，不斷推動機器人技術的發(fā)展；二是新應用的拉動，機器人的應用領域從最初的制造業(yè)、特別是汽車制造業(yè)發(fā)展到如今的3C產(chǎn)業(yè)，不斷涌現(xiàn)服務機器人、醫(yī)療機器人等新的應用，從需求側(cè)拉動機器人技術的發(fā)展。在這兩方面的作用下，工業(yè)機器人、機器人技術發(fā)展以及機器人的基礎研究都持續(xù)面臨新的挑戰(zhàn)和新的機會。

01

工業(yè)機器人，“卡脖子”技術的更迭

過去十年，中國工業(yè)機器人的應用市場引領了世界工業(yè)機器人的發(fā)展。特別是疫情后很多行業(yè)增長減慢或增長消失的背景下，工業(yè)機器人需求逆勢增長，在這種特殊環(huán)境中，人們再一次認識到了工業(yè)機器人的重要性。

在工業(yè)機器人發(fā)展過程中，中國曾面臨驅(qū)動器、控制器、減速器三個卡脖子技術，通過多年的努力我們已經(jīng)迎頭趕上。但隨著新的應用需求出現(xiàn)，對工業(yè)機器人領域技術也提出了新的要求。

首先是“友好”（Friendly），雖然現(xiàn)在有很多可以制造機械臂等非常優(yōu)秀產(chǎn)品的工業(yè)機器人企業(yè)，但在應用軟件包、編程方法等應用層面仍面臨很多問題，機器人的編程使用困難依然是全球工業(yè)機器人領域的一大挑戰(zhàn)；其次是“柔性”（Flexibility），大部分企業(yè)在購買工業(yè)機器人之后沒有獨立完成校正、設置等復雜工作的能力，這給工業(yè)機器人的應用推廣帶來困難，因此如何讓工業(yè)機器人更容易、更方便地集成到工廠現(xiàn)有的制造系統(tǒng)中并具備重組能力（reconfigurability）是工業(yè)機器人面臨的新挑戰(zhàn)；再次是“精準”（Fidelity），從曾經(jīng)的汽車制造到現(xiàn)在的電子元器件制造，新應用的不斷出現(xiàn)對機器人的精度提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

可以看到，工業(yè)機器人的“卡脖子”已經(jīng)從驅(qū)動器、控制器、減速器三大傳統(tǒng)關鍵技術，發(fā)展為三個新的關鍵技術：編程方法、校正方法和與新型傳感器的集成技術。作為工業(yè)機器人的后來者，中國既要迎頭趕上，也要瞄準下一代新技術，因此這三方面非常重要，為工業(yè)機器人的下一步的發(fā)展提供了很多新的機會。

02

機器人技術，從簡單替代“人”到“超限機器人”

曾經(jīng)，我們通過機器人完成一些人們不愿意做的事情，比如常說的“3D工作”(Dirty，Dull，Dangerous)，而隨著信息技術、微納米技術和生命醫(yī)學技術等新興技術的出現(xiàn)和不斷推動，機器人已經(jīng)從簡單的、代替人們做己所不欲之事，一步步擴展到如今做人所不能之事，超越了人能力限制，也即“超限機器人”，超限機器人技術下一代的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在克服距離困難、克服尺度困難和克服環(huán)境困難三方面。

（1）克服距離困難

包括通信技術、5G等技術在內(nèi)的信息技術與機器人技術的結(jié)合，讓我們不僅可以通過網(wǎng)絡傳輸信息，通過控制遠端機器人也能夠傳輸動作，讓網(wǎng)絡從信息高速公路（Information Super Highway）變?yōu)閯幼鱾鬏敻咚俟?#xff08;Action Super Highway），大大擴展了人類的能力。以前由于距離限制看不見摸不著的地方，現(xiàn)在不僅能被“看到”，還可以進行操作實現(xiàn)很多事情，克服了距離給人類帶來的困難。

（2）克服尺度困難

微納米技術的發(fā)展創(chuàng)造了很多經(jīng)濟發(fā)展的機遇，但由于尺度非常小，在制造和加工時面臨很多困難。通過機器人技術，我們可以把微納米尺度的環(huán)境變成人類能夠看到和摸到的，并且還可以進行操作和加工，克服尺度給人類帶來的困難。

（3）克服環(huán)境困難

通過與生命醫(yī)學技術的結(jié)合，機器人可以克服一些特殊環(huán)境下人類面臨的困難，比如人無法直接進入人體的生理環(huán)境，但借助機器人我們可以進入到器官和細胞內(nèi)進行診斷和治療。

機器人幫助人類克服距離、尺度和環(huán)境給我們帶來的困難

下面我們通過幾個具體的應用案例來解釋這三方面的發(fā)展：

以疾病診斷為例，通過機器人技術與網(wǎng)絡技術的結(jié)合，我們可以實現(xiàn)醫(yī)療服務的遠程傳輸，可以在人不能去醫(yī)院的情況下進行遠程診斷，疫情之下這項技術顯得尤為重要。

比如遠程實驗，受疫情的影響學校大多轉(zhuǎn)為線上授課，這使很多需要實驗的學科教學受到很大影響，學生們失去了很多很重要動手實踐機會，我們的遠程實驗室（Remote Lab）項目就是針對這一問題進行的，讓學生不僅可以線上聽講，還可以線上做實驗，大大擴展了線上教育能力，也對將來對電化教育的發(fā)展，特別是對不發(fā)達地區(qū)的學生能夠提供更好的教育機會。

機器人技術在生產(chǎn)自動化中創(chuàng)造了很多價值，在生物醫(yī)藥、尤其是新藥研發(fā)方面尤其未來可期。新藥研發(fā)的成本非常高，美國制藥工業(yè)每年新藥研發(fā)投入不斷增加，但是最終研發(fā)出來的新藥數(shù)量卻沒有顯著提升，這一難題被稱為制藥領域創(chuàng)新缺口（Pharma innovation gap），亟需新技術、新途徑改變現(xiàn)狀，特別是這次疫情讓我們看到新藥研發(fā)時間和成本的重要性。

研發(fā)經(jīng)費投入與產(chǎn)出不成比例，出現(xiàn)制藥領域創(chuàng)新缺口

據(jù)估算，如果能夠在自動化程度較低的新藥研發(fā)領域引入和較好應用機器人自動化技術，能夠?qū)崿F(xiàn)6800億的新價值。我所在的港大新興技術研究所近期研發(fā)的用于新藥研發(fā)的自動化系統(tǒng)引入微納米機器人，像流水線一樣把細胞傳送過來，用微納米機器人把藥放在細胞的特定位置上進行高速篩選并觀測各項生物指標來測試藥效，實現(xiàn)新藥高速篩選和開發(fā)，大幅降低成本、提高效率。

再比如芯片制造方面，目前芯片的特征尺寸從7納米到2納米不斷縮小，但硅膠材料終有盡頭，想要進一步提高集成度勢必要尋找新的材料、新的方法來制造芯片，并需要新加工和制造方法，在極小尺度下進行裝配、測量，這些都需要引入微納米機器人和自動化技術幫助我們克服尺度帶來的困難。

03

機器人基礎理論，從仿生到類生

機器人技術的發(fā)展建立在基礎理論上，也即人類如何開發(fā)機器人。過去60年，人們開發(fā)機器人的靈感都來自和建立在仿生的基礎上，比如人有手臂，我們就做一個機械手臂。現(xiàn)在我們需要新的啟發(fā)和思路來開發(fā)下一代機器人技術。在基礎研究方面，機器人面臨的新機遇和挑戰(zhàn)是類生命機器人（Bio-syncretic Robots）。

機器人與生物體具有各自的優(yōu)點，機器人向生物體學習，生物體向機器融合，最終實現(xiàn)生命-機器深度融合，得到具有多重優(yōu)點的類生命機器人系統(tǒng)

仿生機器人有“形仿”，形狀一樣但工作原理不同，比如人的手臂和機械臂；還有“功仿”，功能一樣但形狀、機理不同，比如飛機與鳥。而作為機器人下一步的新發(fā)展動力，類生學則是指機器人不僅要從生物系統(tǒng)學習，還要跟生物系統(tǒng)融合。這一點非常重要，無疑類生學會給機器人的發(fā)展帶來很多新的機遇和新的應用。

以驅(qū)動為例，現(xiàn)在的機器人用電機驅(qū)動，能量轉(zhuǎn)化率小于30%，也就是說有70%以上的能量都被浪費了，效率非常低，且負重比也很低。相比之下，人類和其他生物的肌肉能量轉(zhuǎn)換率在50%以上，遠高于電機，同時負重比也很高——螞蟻可以舉起比它的身體重很多倍的東西，但現(xiàn)在的機器人做不到。

我們希望把肌肉的機理、結(jié)構等生物系統(tǒng)和機電系統(tǒng)結(jié)合起來，形成一種新型的機電技術。

我們現(xiàn)在正在開發(fā)一款傳感式助老機器人，希望能幫助那些由于肌肉萎縮、各種關節(jié)的問題導致行走有困難的老年人順利行走，由于轉(zhuǎn)動驅(qū)動方式、負重比和能量轉(zhuǎn)換等各方面因素，使用傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)很難實現(xiàn)，所以我們選擇引入人造肌肉形成機器人，從而使能量轉(zhuǎn)換效率、負重比等各方面性能都能夠大幅提高和改善，最終能夠造出一種幫助人類行走的可穿戴式的機器人。

通過以上三個方面：工業(yè)機器人關鍵技術更迭、機器人從代替人類工作到超越人類極限、從仿生機器人到類生機器人的發(fā)展，我們看到了機器人發(fā)展的前沿和帶來的機會。下一個十年是機器人技術發(fā)展的黃金時期，我們要抓住機遇，推動機器人的發(fā)展和應用。

總結(jié)

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