中国机器人在路上
来源: 三联生活周刊 14年第38期
“人”在哪里
为了寻访中国制造的先进机器人，我在清华大学、北京航空航天大学、中国科学院自动化研究所的机器人实验室转了一圈，我的同事们去了中国科学院沈阳自动化研究所和哈尔滨工业大学，这些都是中国机器人研究的重镇。但是每个人只看到了一堆或精致或粗陋的机器，没有看到“人”在哪里。
“‘人’指的是机器人的智慧，目前人工智能没有取得根本突破，很多机器人技术都卡在这上面。如果机器智能取代人类智能，会是一场很大的革命。”清华大学计算机系教授邓志东告诉我。
好莱坞总是把机器人塑造成随时取代人类的强大机器，但事实上，机器人想站立起来都很困难，更别说走来走去为人类服务了。真正的机器人是电脑和工具的综合体，上世纪60年代问世后便慢慢打入工业界，接管肮脏、乏味和危险的工作。即便是工程学的结晶、代表人类机器人最高技术的星球车，看起来也不怎么样，它们又慢又不灵活，一旦在外星球发生故障，即会陷入孤立无援的处境。尽管如此，它们异常敬业地传回另一世界的特写照片，改变了人类的宇宙观，成为人类探索宇宙的利器，获得了人们的尊重。人类毫不吝惜地赞美它们，关心它们在天上的一举一动。今年中秋夜，我国的“玉兔号”月球车在沉睡了7个月后再度苏醒，网友们亲切地问道：“小兔子你是想吃月饼了吗？”
虽然在中国的实验室里没有看到太多又炫又酷的机器人，事实上，中国已经有一些机器人走在世界前列，比如空间探索机器人、深海探测机器人等等。国家“十二五”“863计划”先进制造领域智能机器人主题专家组组长、哈尔滨工业大学机电学院院长赵杰说：“中国工业机器人起步较晚，和发达国家差距较大，但是我国的服务型机器人起步时间和国外差不多。未来的8～10年是个窗口期，我们要抓住机会发展上去。”
让机器人进入现实世界，远比科幻电影描述的困难。我们设想的能为人类服务的家庭机器人、和人类互动的宠物机器人、维修太空望远镜的空间机器人、协助病人行动的辅助医疗机器人等等会在不远的将来出现吗？机器人的未来，取决于我们能否突破障碍，让它们走出工厂或实验室等封闭空间，赋予它们和真实世界互动的能力。“未来的机器人肯定和人们想的有偏差，但是一定会给人的生活带来很多方便，我们等它慢慢上路，哪怕比国外慢一点。”邓志东说。
无人车梦想
邓志东和无人车在路上的时候，不管是他开还是车自己走，都没有什么人多看它一眼。“这车很普通嘛，和别的车没什么两样，也没有交警上来盘问是不是改装车。”
一开始，坐在自动驾驶的车上他会紧张：“万一撞上了怎么办？”动起来后，他发现车自己走得很好，慢慢就不紧张了，还能和车里人说说笑笑。
这辆黑色的别克昂科雷停在清华大学信息大楼地下车库的角落里，若不是车顶凸起的设备和车身上“清华智能车”的标志，很难看出它是一辆无人驾驶汽车。事实上，一般人也不知道所谓的“智能车”究竟是什么意思。
它看起来像是一辆特殊调研的勘测车，车顶上4个朝前的摄像头就像4只眼睛，每个有自己分工，3个黑白摄像头分别负责左、中、右3个车道线，1个彩色摄像头同时负责交通标志牌、交通信号灯和前车尾灯；车身周边安有3个毫米波雷达和4个激光雷达，包括车顶能看100多米的三维激光雷达，车顶还有一个能看100多米的雷达；“驾驶员”则躲在后备厢里，由多核计算机和千兆网交换机等组成。由于部分感知设备单价在60万元左右，经过改装，这辆车的价值已达五六百万元。
如果它跑在城市马路上，基本还是人在驾驶，只有在车少人稀的郊区，邓志东才敢让它自己开。他的车如果在路上遇见一块石头，会自己避开；如果遇见一个掉了井盖的大洞，就会不知所措，很可能把轮子陷进去。“石头是凸出的，我们称为正障碍；地洞是凹陷的，称为负障碍。目前最新成果显示，无人车已经可识别包括水坑在内的负障碍物，但可靠性还不行。”
在这一点上，目前谷歌的无人车也好不到哪去。谷歌无人车团队的总监克里斯·厄姆森（Chris Urmson）承认，它无法识别道路上的坑洞，不能分辨石块或纸团，只能全部选择绕道而行；在它“眼中”，路上的行人不过是一些移动的模糊像素，十字路口指挥交通的交警也认不出来。
这一切似乎和很快就要跑遍马路的无人车相去甚远。谷歌无人车的安全行驶距离已经超过112万公里，谷歌、沃尔沃、奔驰、日产、特斯拉等公司纷纷宣布要在2020年左右上市无人驾驶汽车。似乎在不久的将来，我们就可以设置好目的地，按下启动键，等待无人车把我们带到想去的地方。
“目前无人车的整车技术还不成熟，但是显然产业已经介入，产业一旦介入，技术的成熟度会大大加快。”邓志东说。据他介绍，我国从上世纪80年代开始研究无人车，2008年，国家自然科学基金委设立了“视听觉信息的认知计算”重大研究计划，目标之一是研发无人驾驶车辆验证平台，他从2009年才开始接手无人车项目。“无人驾驶汽车是一个机器人，叫‘室外轮式智能移动机器人’。一般机器人移动速度缓慢，但是无人车移动速度很快，这是一个很大的挑战。而且室外的气候、光照、道路交通等都在不停发生变化，是一个非常复杂的系统。”无人车和邓志东以前研究的机器人“完全不是一个量级的”，这让他非常兴奋，跃跃欲试。
“无人车是一个理想的高新技术综合性验证平台。海陆空都有机器人，包括无人机、无人舰艇、无人潜艇等等，但是它们对精度的要求都没有那么高，无人车地面自主行驶侧向误差不得超过0.3米，姿态角不得超过0.3度，不然就会看到偏移，就压线了。”除此之外，地面上很多路口、环岛、U形掉头、信号灯，充满各种障碍物。“相对来说，无人车的技术挑战性更大，如果有所突破就能带动整个无人系统的发展。同时，如果一个高度智能、完全自主行驶的汽车都能成为现实，那么一些室内移动机器人岂不是更容易成真？”
2009年，国家自然基金委开始举办每年一届的“中国智能车未来挑战赛”，每届大约有十余家单位参赛，邓志东每一届都参加了。第一届比赛在专门设计的比赛场地进行，人跟着车走，无人车怠速行驶，没有速度控制，“就那也走不好，过个路口都费劲，非常初级”。2010年第二届比赛还是专设的场地，人跟着车跑，无人车出现速度控制，大约每小时7～8公里。2011年第三届比赛场地换到内蒙古鄂尔多斯一个尚未开放的开发区，人开始追不上车了，出于安全考虑，比赛规则甚至开始限制车速了，并且第一次出现障碍物。“摆了个破旧的出租车在路上，结果还真有车撞上去。”2012年，比赛在内蒙古赤峰市乌丹镇举行，老城区和新城区都设有比赛场地，老城区“很多车道线和路牙看不清楚，不过大家也跑得挺好”。2013年比赛在江苏省常熟市城郊举行，参赛的车辆数量最多，总共18辆，“跑得越来越好了”。
“比赛是一个非常重要的推动因素，是骡子是马拉出来遛遛，国内无人车的水平在这几年上升很快。”
国家自然基金委举办的智能车挑战赛和美国国防部高级研究计划署（DARPA）组织的三届无人车挑战赛有些类似。2004年，美国举办了第一届名为“大挑战”的沙漠穿越赛，超过100个科研小组报名，不到三分之一的车辆通过了资格审查，但是没有一辆无人车穿越了240公里的沙漠。2005年第二届比赛的环境和第一届类似，斯坦福大学的机器人汽车“斯坦利”第一个抵达终点，赢得冠军。2007年第三届比赛模拟城市交通路况，安排了50辆由人驾驶的汽车制造道路拥堵，斯坦福大学设计的“年少者”在6小时内完成了100公里赛程，第一个抵达终点。
十几年来也一直在研究无人车的国防科技大学教授贺汉根说，国内近几年很多院校都在进行无人车研究，同时在不同的学术刊物上发表很多文章，类似美国2000～2005年的情况。美国现在不举办这样的无人车比赛了，也没有那么多论文，无人车技术基本成熟，军用进入装备阶段，民用进入产品阶段，技术开始保密。他推断，我国和美国的差距大约是5～10年，再过5年中国也会进入类似的状态。
邓志东坦言，中国的无人车技术确实比先进国家落后很多。“无人车最大的挑战是环境感知技术和信息融合技术。人对环境的变化有应对能力，机器不像人，它无法理解周围的环境，包括道路、交通、交通标识等等。环境感知涉及人工智能，如果人工智能取得根本突破，无人车会实现真正的智能行驶。”
目前，清华的无人车只在高速公路和封闭的比赛环境测试过。高速公路是一个相对简单的环境，每辆车都以相近的速度朝一个方向前进，没有十字路口和红绿灯，也没有行人。“据我所知，中国的无人车还没有在真实的城区马路上测试过。”邓志东说。
在他眼里，国外的同行在这方面取得了更好的成绩。2011年9月，德国柏林自由大学一辆名为“德国制造”的无人车从柏林勃兰登堡门出发，到柏林国际会议中心后又安全返回出发地，其间顺利通过了46个交通灯并绕过两处环岛，整个行程近20公里。2013年7月，意大利帕尔马大学的无人车在帕尔马老城区转了一圈，全程无人工干预，顺利通过了单线双车道、环岛，处理了交通信号灯、行人横穿马路、人工凸起的路面等状况。
“如果有一天，在非高峰期时段，我们的车自己从清华东门跑到西直门，再自己跑回来，来回差不多20公里，一路上不发生安全事故，不违反交通规则，没拿到一个罚单，路上没人察觉这是无人车……”邓志东笑着说，“这是一个梦想。”
活灵活现机器鱼
“如果把我们的机器鱼放在一群鱼中间，几米远之外几乎分辨不出真鱼假鱼。不过机器鱼比较欢实，一刻不停地游动，经常去骚扰真正的鱼。每当小朋友看到机器鱼在水里游来游去时，总是忍不住伸手去抓。”中科院自动化研究所研究员王硕告诉我。
他从2001年开始跟随导师谭民研究机器鱼，最早模仿的是鲤鱼。当时美国麻省理工学院已经在机器鱼研究上取得了一些成果，1994年世界上第一条机器鱼——金枪鱼“查理”就上演了水下处女秀，被誉为仿生机器人的一大成就。
机器人的分类有很多种，有一种分类法是把它们分为两大类。一类是工具机器人，安装有爪子、抓取装置和车轮，看上去和其他的机器没有两样；另一类是仿人机器人，制造者把它们尽量造成人的样子，有着可以活动的胳膊和手、双腿双脚，还有一张人的脸。但实际上除此之外，还有一种被称为仿生机器人，模仿自然界各种生物。自然是最伟大的设计师，直接模仿自然经选择留存下来的生物原型似乎是最好的选择。
王硕所在的团队选择了鱼，他们看上了鱼儿们非凡的水中运动能力。作为自然界最早出现的脊椎动物，鱼类的游泳技巧远高出人类现有的航海技术，它们高效率、高机动、低噪声、高加速性的游动方式，远优于船舶螺旋桨推进的运动方式。“通过研究和模拟鱼类，我们希望开发出高效节能的水下推进器、高机动性的水下运载器，制造出和真鱼一样的人工机器鱼。”
2003年，他们做出了第一条“鱼”，只能在平面上做直线转弯运动。后来的鱼逐渐实现三维运动，能够在水中上升、下潜、滚转，更像是一条真正的鱼。再后来，他们造出了机器海豚，出水、空中滑行、再入水，就像一头真正的海豚那样在空中划出一个优美的弧形。
课题组的喻俊志研究员从2006年开始研究海豚，潜心观察海豚的各种动作。“在所有能够跃水的水生动物中，海豚采用背腹式推进，即在竖直面内上下拍动尾鳍，能够得到更佳的俯仰机动能力，更适于在水面附近做上下翻飞的动作，具有比其他鱼类更小的跃水门限速度。”“我们在控制角度，比如跃水、定深悬停、转弯等方面，和国际先进水平基本同步，甚至还是超前的。”王硕说。
机器鱼比大部分机器人看起来有趣，当它套上柔软的外壳，在水里灵活游动时，你会感叹造物的神奇。实验室的“鱼”依照年龄大小依次排在水池边上，最早的那条体形较大，看起来更具机器感，较新的软体机器鱼看起来“鱼味”更重。机器海豚则静悄悄躺在资料柜上，腹部有一道裂缝，据实验室吴正兴博士介绍，裂缝是用来搭载设备的，曾经搭载过水质检测传感器，通过游动对水源地进行监控，检测污染、水质参数是否合格。“机器鱼本身是个运载平台，根据不同任务增加一些功能，可用于狭窄或危险水下环境中的监测、军事侦察、水下救捞、水下考古、海洋生物观察、水下设备检修等工作。”
实验室桌子上有一条大卸八块、正在检修的“鱼”，鱼形外壳内是4个电机。为什么它没有鱼的脊椎和骨骼？“我们模拟鱼的身体骨架结构，但是对结构进行简化处理，如果完全按照鱼的结构来做会非常复杂。”王硕说，“仿生机器人不一定要做到和生物一模一样的形态。因现有材料和设备的局限，可能没有办法做出和实际生物一样的机器人，但可以利用生物界发现的原理来实现某方面的功能，制造出特定的设备。比如工业机器人和人的手臂并不相似，但是它可以利用6个电机来实现运动功能，帮助人类搬运东西。”
“每个人脑海里的机器人和实际的机器人都会有差别，一开始你可能觉得它就是电影里的那种很酷很炫的样子，但实际上它并不局限于形态，它本质上是一种智能化设备，可以帮助人类做很多工作，减轻很多负担。”
或许，未来的仿生机器人会像一种怪物，有狗的头、章鱼的触角、鱼的身体，甚至还会像昆虫那样拍着翅膀就飞起来。不管它像什么，这种专业机器人一定会具有多种生物的技能，替人类执行不同的任务。
国产“大狗”
美国有一家在机器人界大名鼎鼎的公司叫波士顿动力（Boston Dynamics），2013年12月被谷歌公司收购。此公司研发了一系列军用机器人，比如“大狗”（BigDog）、“猎豹”（Cheetah）、“野猫”（WildCat），以及双足机器人（Atlas）等，每一个都闪亮登场，赢得一片掌声。
“大狗”被称为是世界上最雄心勃勃的四足机器人，正式名称为“步兵班组支援系统”，由美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助。“大狗”有4条活动自如的腿，大小像一匹骡子，即使在火海中跑来跑去也毫不畏惧，酷似《星球大战》中帝国军队使用的“步行者”战车。它能携带辎重在崎岖不平的山路上行走30公里，与其说是一只“机器狗”，还不如说是一头“机器骡”，因为它的主要任务就是帮助陆战队员在行军时运载装备。
据波士顿动力公司公开的视频显示，“大狗”具有惊人的平衡能力，即使是被重重踢上一脚，也能马上恢复平衡。“大狗”在冰面上行走时数次几乎摔倒，但最终都保持了平衡，打滑时它可以左右腿快速交叉，甚至采用跪下来的动作来主动寻找平衡。它能沿着35度的山坡爬上爬下，可以在碎石路、泥泞的道路以及雪地上行走。它还有超强跳的跃能力，能跳跃差不多1米的距离。
2012年底，山东大学机器人研究中心主任李贻斌教授花了两年时间也做出了一只“大狗”机器人，虽然比美国的“大狗”笨拙许多，但行动起来已经有模有样，推一下也不倒，让人看到了希望。“我们承认‘大狗’是仿照美国制造的，我们想借助他们的思想来开发自己的东西。”李贻斌告诉我。至于为何要仿造一个“大狗”，他说：“野外作战尤其是山地作战，需要一个地形适应能力强的机器人，四足动物可以到达地面上任何一点，既可以作为一个侦察平台，也可以用来运输物资，所以我们就做了一个四足机器人。”在此之前他做过的都是小型类似玩具的四足机器人，做这么大个家伙还是头一次。
虽然科幻电影中的机器人能够大步行走，但在真实世界里大部分机器人都靠着轮子才能移动。要想让一个机器人学会走路，并不是一件容易的事。“四足机器人一般是模仿四足动物后腿的结构，对于动物来说，前腿主要用于支撑和导向，后腿主要用于驱动，后腿的力量比前腿大得多。动物驮东西的时候要尽可能往后放，也是因为后腿起到主要的驱动作用。”
资料显示，美国“大狗”每条腿有4个自由度，即3个靠传动装置提供动力的关节，1个“弹性”关节，利用水压刺激器，电脑每秒可以重新将关节配置500次。关节上装有传感器，负责测量力量和位置、探测地势变化，电脑参照这些数据，结合从惯性测算单元获得的信息，确定四条腿应该是抬起还是放下、向右走还是向左走。通过调整关节的水压液体的流动，电脑可以将每一只爪子准确地放下。如果有一条腿比预期更早地碰到了地面，计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡，然后“大狗”就会相应地调节自己的步伐。
“四足机器人需要感知姿态，比如说机器人倾斜的时候，传感器可以感知到，然后控制机器人腿的运动和姿态，调整整个身体的姿态，来实现机器人的平衡。”李贻斌说，“‘大狗’的腿触地时，相当于两个硬的东西撞击，撞击力会对结构产生冲击性影响，如果控制不好，时间久了内部器件会变形，如何在落地时像动物着地那样产生弹性也是个难点。”至于为什么国产“大狗”的平衡性比美国“大狗”差很多，他说：“美国‘大狗’每条腿有4个自由度，我们认为3个自由度就够了，4个有点浪费。不过3个自由度虽然结构简单，但要获得好的性能，控制方法相对复杂，需要重点突破。”
李贻斌坦承中美“大狗”“差距很大”：“这不仅是技术问题，还有很多别的因素。很多国产器件的性能还达不到那么高的要求，比如目前我们的液压驱动单元的工作频率相对于美国的‘大狗’来说要低，国内的器件达不到那么高的频率，这会影响到机器人的动态调整性能，只能从控制方法上想办法解决。另外，我们的传感器和国外差距也很大，当初我们在国内好几个厂家进行定制，但是效果都不好，或者体积很大、很重或者装在脚上踹几下就变形了。此外还有经费问题，我们真正用于‘大狗’机器人的科研经费只有200万元左右，没法拿最好东西来做。”
尽管如此，国产“大狗”还是得到了不少赞誉，被视为追赶国外先进技术的良好开端。李贻斌把“大狗”做出来不久，波士顿动力公司就于2013年10月发布了最新的“野猫”机器人，能使用四足做出不同的动作，完成不同方式的奔跑；它能急停刹车，像摩托车那样拐弯；它在平地上全速冲刺时发出“嗡嗡嗡嗡”的声音，像是越野车，速度能达到每小时26公里。
李贻斌不打算再造出一个中国“野猫”，他说：“‘野猫’是一个验证各种技术的平台，我们还不知道它具体有什么用。但是‘大狗’已经显现出实际的用途，我们下一步的工作是继续改进‘大狗’的功能，目前它已经可以爬楼梯，之后希望实现跟着目标自动进行的功能。”
微创时代的医疗机器人
1995年，王田苗从意大利留学回国，到北京航空航天大学机器人研究所任教。1996年春节的优秀留学归国人员座谈会上，王田苗和海军总医院神经外科专家田增民教授同坐一桌，此时田增民从美国华盛顿大学医学院进修回来一年多。这二人一拍即合，打算研究一个适合做神经外科手术的机器人。
当时国内还没有医疗机器人的概念，研究更多的是工业机器人。“事实上，医疗机器人就是一种自动化的医疗器械，它的灵活性、定位精度、防疲劳性能都远高于人。”北航机器人研究所副教授刘达告诉我，他是王田苗回国后招收的第一个博士生，已经做了十几年机器人研究。
回顾外科手术的历史，革命总是从新工具的出现开始。上世纪80年代，腹腔镜、胸腔镜等内窥镜的出现结束了“大外科，大切口”时代，微创手术让病人再也无需忍受大创口的痛苦，恢复起来也快了很多。直到现在，外科医生还在使用两根细长的器械进行微创手术，一边看着屏幕上的实时影像，一边将这两根器械通过一个细小的套管针引入病人体内。医生要把器械的一端朝着他所期望的方向缓慢插入，由于器械和套管针产生的摩擦力，再加上过长的操纵手柄，医生很难真实感到来自内部组织的机械阻力，缝针也变得非常困难。事实上，在很久以前，医生就很清楚这样的做法只是一种暂时的解决方案。
1997年5月，王田苗研制的手术机器人为一位患者成功地施行了国内首次“机器人辅助脑立体定向手术”，建立了第一代医疗机器人，从此他的实验室就把医疗机器人作为一个主要研究方向。第一代机器人辅助手术时，病人不再需要像以前那样在颅骨上打四个洞，以贴四个标记点替代，医生可从计算机中看到机械臂与病人脑部病灶的对应关系，进而操纵机械臂，使其与预先规划的手术径重合，实现准确定位并锁定，实施对病灶的相关手术治疗。2001年2月，国产“无框架脑立体定向仪”获得市场准入注册，我国的医疗机器人迈出从无到有的一步。
几乎与此同步，美国出现了达·芬奇手术机器人系统，于2000年获得美国食品及药品监督管理局（FDA）的批准，如今已经有2000多台投入临床应用，成为全球最著名的医疗机器人。达·芬奇手术机器人看起来像是一台电子游戏机，拥有交互式机械臂和3D屏幕。这个系统由两部分构成：在患者身上动手术的机器人本身和由外科医生控制的控制台。
2008年9月，本刊记者曾在中国人民解放军总医院的手术室见过达·芬奇机器人，这种机器人拥有三个小巧灵活的机械臂，其中两个可以连接许多手术器具，例如手术刀、剪刀和电烙器，每一种器具可以根据不同的功能进行简易切换；还有一条机械臂上装有内窥摄像机，能够在控制台上为外科医生显示三维影像。
在手术过程中，外科医生在控制台上通过两个脚踏板和两个手动控制器来操作，同时通过机器上的观察孔来观察三维影像，看起来类似在玩电子游戏。机器人感知医生的动作，通过机械臂在患者身上实施手术。机械臂通过一个极小的创口进入患者的身体，它模仿医生的动作，让手术进程更为准确和高效。
“医疗机器人的研制有两个难点。一是精度，医生希望机器人能做到指哪打哪；二是灵活性和感知能力，包括视觉和触觉，其中视觉能够通过图像解决，如今图像技术发展得相对成熟，触觉则通过传感器解决，目前和人的感知差距较大。”刘达告诉我，“灵活性和精度是矛盾的两方面，达·芬奇手术机器人灵活性好，但是精度不高。我们的无框架立体定向机器人实施的是脑手术，重点在于精度，灵活性就没有那么高。”
他所在的实验室里还摆着一台尚未完成的血管介入手术机器人。血管介入手术需要使用X光机，主要用于手术显影，就像是医生的眼睛。手术中，X射线发射源放置在床下，正对病人，医生往往也暴露在辐射下，即便身上穿着防辐射铅衣，手臂也往往暴露在外面。
“能不能设计一个代替医生做介入手术的机器人？这样医生可以在一个安全的地方通过操作柄控制机器人，让机器人把导丝引入病人体内，医生就可以免遭辐射。”刘达说。他们正在研制的血管介入手术机器人正是源自这样的思路，但是尚未获得成功。
医生实际操作介入手术时需要很多练习。“一般人感觉不到导丝碰到血管壁反馈回来的力，只有经过训练后才能感受到如此微小的力。我们想在导管前端安装触觉传感器，碰到血管壁的时候可以反馈给操作柄，避免继续用力发生危险。但是目前在临床上遇到一些问题，传感器在血液里可能不太安全。”刘达说。
在他眼里，这项技术在国外也不成熟，尚未出现大规模推广的产品。“医疗机器人主要是系统集成，我们和国外有技术差距，但是并不明显。其中最核心的技术是感知能力，这方面和国外差距大些，但这是多个学科的问题，比如传感器、计算机图形学等等，不是靠我们的力量就能改变的。”
“不管技术发展得快慢，医疗器械的革新是必然趋势，随着微创手术的发展，机器人必然会成为手术室的标准配置。”刘达说。
记者／曹玲
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