人机共生时代的机器人设计与探索

丁宁

机器人设计要以人为本，人的需求是未来城市发展的根本动力，应借助机器人技术与产品以新模式、新机制解放人的需求。未来机器与人应当是一种“共生关系”，在机器人研究与发展中，要做到以人为本，人机和谐发展。

2018年机器人行业发生了很多重要事件。6月29日，本田公司宣布停止研发著名的人形机器人Asimo;10月4日，由于市场达不到预期，Rethink Robotics公司宣布停止运营;2018年上半年，波士顿动力公司也提出要开始启动仿生四足机器人SpotMini的商业化行动，而在此之前，大家一直都在揣度那几款运动性能惊人的“大狗”和“Atlas双足机器人”究竟卖给谁。从2015年至今，经历了3年多的机器人热潮开始出现部分明星企业倒闭，以及机器人企业方向的大幅调整等现象。这些现象让人惊讶之余，很多业内人士也表示，这既是意料之外，也是情理之中。高端机器人产品落地难，那么症结究竟在哪里？如何有效地开展机器人产品的顶层设计？如何让这类产品拥有持续的生命力，能够像人们期待的那样，在各个领域都得到广泛的应用？这需要梳理机器人与人、与社会的关系之后，再回过头反思机器人技术有哪些特性？机器人究竟是什么？

机器人技术的起源是来自于人类想要制造一种具备人类自身能力的机器。因此，机器人产品的技术路线就是“仿生”，即仿人或生物的感知能力、运动能力、思维能力、材料特性、群体协作等，在这个过程中，由模仿到认识机理，再到提升超越，也可以说由“仿生”进而“超生”。同时，我们也发现生物系统的精妙深邃之处，例如，肌肉既是驱动单元，也是高效的长期储能系统，还是可变参数的柔性防护系统。

成本投入与价值输出的平衡

机器人技术是具备“感知”、“认知”以及“运动”三种技术特征的系统集成技术，具备一定的生物属性。这些能力虽使得机器人系统变得复杂、成本激增，故障率也大幅增加，但其目的是让机器人能够在更为复杂多变环境中自主地完成特定任务。这种“自主性”，基于对复杂环境的感知与适应能力和对动态目标的识别跟踪与实时动作响应，使得机器人在工作时大幅减少人工干预，减少对作业场景改造和屏蔽干扰，总体上实现更优的投入产出比，提高了劳动生产率，这也是所有技术和创新追求的基本目标。

成本与价值核算是所有产品设计首先要考量的指标，包括机器人产品。造价百万美元的Asimo如果只能端茶送水是没有销售市场的。从成本结构上来看机器人产品，尽管机器人的运行成本低，主要是消耗电能，但其实现/制造成本极高。除工业机器人之外，大部分机器人技术发展尚处于早期、产业生态不完善、零部件依靠定制。同时，其使用成本也非常高，由于功能不完善，导致现场工程、后期维护的长期投入极大。而机器人能够产生的社会价值却与期望落差极大，由于应用场景的多样化、碎片化，功能细分、市场规模小，从而导致机器人市场体量与机器人产品的投入不能匹配，基本的商业逻辑很难成立。

因此，当前阶段的机器人产品设计，从价值输出的角度，一方面尽可能约束应用场景，寻求高附加值的需求，同时跨场景挖掘共性需求，以聚集价值输出扩大市场空间。从成本投入的角度，一方面采用成熟的零部件和生产工艺，以降低实现/制造成本。这个环节非常考验本体机构和系统级的集成优化设计。另一方面，做好全生命周期成本规划，降低长期使用/维护成本，由此找到成本投入与价值输出的平衡。而在所需要的关键技术未成熟之前，等待或尋求其他方式，盲目使用未成熟技术将导致后续使用成本激增。那么当前，哪些机器人技术是可用的？其发展路线是什么？

从体力与智力两类能力来看，机器人的体力，体现在执行能力，例如移动和操作能力、信息传输、计算与交互，以及能量的转化输出能力，这是机器擅长的。而智力方面，则体现在应变能力，这是人类所擅长的，例如对动态的非结构化环境的适应和举一反三的学习与泛化能力。体力方面，机器人的运动能力在从植物型向动物型进化。例如工业机械臂，逐渐开始搭载在移动平台上作业，工作空间大幅提升，同时对环境的感知和人机协同的能力要求大幅提升。动物型的机器人对自身智力水平提出了跃升的需求。未来机器人会向类人型和超人型进化。相应地，智力开始由类似于植物神经系统的自动化技术，推进到当前的弱人工智能阶段，进而是类人型机器人将具备的强人工智能和未来的超人工智能或者是独立意识。对机器人智能水平的发展预测和想象造成了人类恐慌，让人对机器人的发展存疑，我们是否有必要推进机器人技术？人与机器人的关系到底是什么？

人机共生是设计机器人产品的核心

站在人类立场上，机器人的存在意义就是能够“为人民服务”，机器人技术从一开始就是为了将人从繁重、危险、无趣的社会角色中解脱出来而产生的，来自人的各层面的需求推动这类技术的发展与应用。机器人具备鲜明的工具属性以及行业属性，各行业的装备在未来都将具备机器人技术属性。由于其大幅提高生产率的能力，其经济属性和社会属性也非常强。由于其自主性，可以实现无人干预的生产，则未来参与到社会分工中，与人类社会共存共融、互利共生。而实现这一目标的前提是，机器人智能发展的水平约束在弱人工智能阶段。因为我们对自身智能、独立意识的生成机理了解甚少，盲目推进到强人工智能是非常危险且不可控的。在此之前，将机器人约束在动物型，将智能技术发展保持在弱人工智能阶段，将极大地缓和机器人与人在伦理层面上的冲突，从而实现人与机器人互利共生的关系。人机共生关系的设计是机器人产品的核心理念，从成本价值核算到人机社会分工关系、从功能定位到技术实现，多个层面综合考量以得到更有生命力的产品。

这种共生关系体现为机器人在城市发展的各个领域发挥作用。城市是人类社会文明和需求的载体，城市化是不可逆过程中产生大量的需求，推动对机器人与智能技术的进步。城市发展初期的基础是工业，特别是高端制造业，例如汽车产品，数万零部件从螺丝到车架流水线组装的需求孕育了工业机械臂，而汽车工业长达百年的发展、丰厚的持续性收益，保障了这项技术从理论基础到核心部件，再到产品体系发展成熟。城市发展到中期，维系城市生存的各类基础设施，例如电力系统、交通系统、集约化农场以及城市服务体系，例如安防、医疗、应急救援等的规模和面对的难题的等级都大幅增加，已逐步超出人工管理能力的范畴，对于机器人智能装备的需求非常迫切，城市的长期发展也将提供机器人装备技术进化至成熟的基础。未来，电力、安防、矿业、核工业等专业服务/特种机器人方向将发展甚至超过当前工业机器人的规模。从技术上看，这类为城市解决急难险重痛点的机器人装备，在理论基础、核心部件可能与传统工业机器人有很大不同，例如人工肌肉、柔性部件、刚柔耦合、超冗余结构等，利用我国市场优势，提前布局新领域，有利于在学术、产业和标准上占据先机，形成引领优势。

我国城市建设经过高速发展40年，各类基础设施开始饱和。据2016年国家统计局统计数据显示，目前我国管道、管网达到192万公里，4000公里的地下管廊，400万座基站铁塔，170万公里35kV以上高压输电线路，120万座市政/公路/铁路桥梁，760座200米高度以上的大楼。各类设施在未来的10-20年逐步进入生命周期的中后期，也是危害高发的维护管养阶段，需要特种作业机器人辅助，替代人在大量高危工作环境中开展健康检测、维修与应急处置和设备设施退役的工作。那么，是不是研究一款机器人可以搭载专用仪器设备在设施内外部进行自由攀爬移动，实现自动检测、维修就可以了呢？事实上，这是功能设计为核心的传统产品设计思路。

当机器人产品具备生物属性，具备自主移动和作业能力，在城市环境中与人共存共生时，我们应当把解决机器人长期自主生存作为首要解决的问题，比如考虑提供便利的能源系统，实现能源自给自足;适用于机器人控制与音视频的宽窄带融合通信基础设施;符合“机器人人因工程”独立的工作空间与作业环境等。其次，再考虑机器人自主作业的能力。在功能上，着重考虑实现机器人擅长的体力和弱人工智能，利用“小聪明”解决好具体的刚需小问题。最后，还要评估交互、业务系统的融合、商业模式设计等。例如，高压输电线路的在线攀爬巡检机器人，我们在下一代设计时，首要考虑的是机器人如何能够自主地通过磁场感应、太阳能以及能源中继等尽可能获取积累有限的能源。其次，再考虑基于这样有限能源的约束，机器人应该怎么运动和作业，可能作业能力、攀爬速度都大打折扣，但这样不再需要维护人员频繁地把设备在高压线上搬上搬下，大幅减少了使用成本。由于能量约束，机器人就不能像猿猴一样灵活地在线上快速攀越，而只能像毛毛虫般慢慢蠕动攀爬。最后，再研究在线作业机器人的材料寿命、零部件抗电磁干扰等。

如此，机器人从输电线路上获取生存能源，又为输电线路提供检修服务，从而形成一种互利共生关系，而机器人的本体形态、运动策略与智能属性与能源获取能力及效率是相互制约、促进的耦合关系。总体上，形成了基于生存条件约束的全局优化设计框架，这是生存在城市森林中的机器人和参与到城市的能量转换体系的指导原则。要进一步推进这种共生关系，标准建设的工作非常关键。例如，早期地下电力管廊巡检主要采用轮式、履带式机器人，设备复杂且可达性不强。而近年来，综合管廊的巡检主要采用吊轨式，机器人倒挂在管廊顶部安装好的轨道上移动巡检，这种方式大幅降低了设备成本和复杂度，提高了可靠性和巡检效率。这种方式需要设计单位和建设单位相互配合，而多个单位之间的配合需要标准作为对接的语言进行沟通。2018年6月发布的两项特种机器人国标就是基于此目的而设定的。建养一体化是未来城市基础设施全生命周期管理的基本模式，从设计之初就要考虑机器人等智能装备自主开展日常管养作业，就要提供机器人所需的空间、能源供给、通信等基础设施，这样的设计对设施中后期危害高发的阶段尤为重要。

合理运营解决社会分工关键问题

基础设施的运维管养是城市需求的一个方面，城市应急救援任务则更为迫切，例如超高层建筑物的灭火与救援，城市环境的复杂性导致够不着、进不去、展不开、打不准，这是消防部门最头疼的问题。本质上，灭火与救援都属于物资转运效率的问题。灭火需要把安全区域的灭火物资快速集中到着火区域，救援是把着火区域的物资/人员快速转移至安全区域。安全区域与着火区域之间城市环境的阻碍就是物资转运的阻力，时间就是火势发展关键因素。因此，要利用机器人可移动可操作的特点，来处理物资搬运;利用机器人的视觉与环境感知，来提高处置的效率。火灾救援的核心，是在火灾发展态势的初期，尽快将物资搬运到位。当火灾已失控，则压制火灾物资的体量和处置的代价将远超预期，已不是某个能力极强的机器人或智能技术能够解决的了。投入巨大成本研究在小概率的极端环境中抢险救灾的特种机器人，在不发生事故时是资源浪费;在发生事故时，又不一定能覆盖问题，因此这这种方式值得反思。

本质上，抢险救灾与战争类似，都属于小概率极端事件。军事领域有一个概念，即平战结合，是一种可供应急救援类机器人参考有效的模式。例如，将应急救援机器人定位为民兵，平时工作在日常岗位、战时可迅速改装前往一线作业。在超高层建筑灭火场景中，火灾控制的关键阶段是火灾态势发展刚刚超出非专业人员处置能力，且专业人员无法到达现场时。这时灭火物资在建筑物内基于火灾风险分布进行部署，此时由就近的机器人携带进入现场并进行处置，实现灭火物资的第一时间转运至火灾现场。而这些机器人不是特殊定制的救援机器人，而是在建筑物内部提供物流和清洁服务的，或者建筑物外墙提供外墙清扫和检修的机器人。这些机器人是当事故发生时，除了人之外的离着火区域最近的可移动、可转运物资的载体。机器人携带灭火物资进入着火点处置的过程是自毁式的，但效率仍远高于消防人员。

本文從未来机器人与人在城市环境里共存、共生的关系出发，探讨了机器人顶层设计的三个维度，首先是基于经济维度，从产品全生命周期的成本结构角度出发，客观认识当前技术发展阶段，评估其与价值输出的平衡关系;其次基于技术维度，首先考虑机器人长期自主生存为设计侧重点，再考虑功能设计;最后基于社会分工维度，利用合理的运营模式使其在应对小概率事件时发挥关键作用。

机器人是以生物和人为参照的复杂系统，具有感知、认知、运动等生物属性。建立共生关系是降低城市总体运行成本的有效模式，与人共生的机器人也不再是威胁。只有把机器人当“人”看，使其有生产的权利、生存的意义和“宜居宜业宜行”的环境，才能更好地为人民服务。