机器人与自动化：挑战和机遇

机器人技术的发展已经有60多年历史，其发展动力主要来自两个方向：一是新技术的推动，新的计算机技术、新的传感器技术、新的控制方法等，不断推动机器人技术的发展；二是新应用的拉动，机器人的应用领域从最初的制造业、特别是汽车制造业发展到如今的3C产业，不断涌现服务机器人、医疗机器人等新的应用，从需求侧拉动机器人技术的发展。在这两方面的作用下，工业机器人、机器人技术发展以及机器人的基础研究都持续面临新的挑战和新的机会。

过去十年，中国工业机器人的应用市场引领了世界工业机器人的发展。特别是疫情后很多行业增长减慢或增长消失的背景下，工业机器人需求逆势增长，在这种特殊环境中，人们再一次认识到了工业机器人的重要性。

在工业机器人发展过程中，中国曾面临驱动器、控制器、减速器三个卡脖子技术，通过多年的努力我们已经迎头赶上。但随着新的应用需求出现，对工业机器人领域技术也提出了新的要求。

首先是“友好”（Friendly），虽然现在有很多可以制造机械臂等非常优秀产品的工业机器人企业，但在应用软件包、编程方法等应用层面仍面临很多问题，机器人的编程使用困难依然是全球工业机器人领域的一大挑战；其次是“柔性”（Flexibility），大部分企业在购买工业机器人之后没有独立完成校正、设置等复杂工作的能力，这给工业机器人的应用推广带来困难，因此如何让工业机器人更容易、更方便地集成到工厂现有的制造系统中并具备重组能力（reconfigurability）是工业机器人面临的新挑战；再次是“精准”（Fidelity），从曾经的汽车制造到现在的电子元器件制造，新应用的不断出现对机器人的精度提出了新的要求和挑战。

可以看到，工业机器人的“卡脖子”已经从驱动器、控制器、减速器三大传统关键技术，发展为三个新的关键技术：编程方法、校正方法和与新型传感器的集成技术。作为工业机器人的后来者，中国既要迎头赶上，也要瞄准下一代新技术，因此这三方面非常重要，为工业机器人的下一步的发展提供了很多新的机会。

曾经，我们通过机器人完成一些人们不愿意做的事情，比如常说的“3D工作”(Dirty，Dull，Dangerous)，而随着信息技术、微纳米技术和生命医学技术等新兴技术的出现和不断推动，机器人已经从简单的、代替人们做己所不欲之事，一步步扩展到如今做人所不能之事，超越了人能力限制，也即“超限机器人”，超限机器人技术下一代的发展方向主要体现在克服距离困难、克服尺度困难和克服环境困难三方面。

（1）克服距离困难

包括通信技术、5G等技术在内的信息技术与机器人技术的结合，让我们不仅可以通过网络传输信息，通过控制远端机器人也能够传输动作，让网络从信息高速公路（Information Super Highway）变为动作传输高速公路（Action Super Highway），大大扩展了人类的能力。以前由于距离限制看不见摸不着的地方，现在不仅能被“看到”，还可以进行操作实现很多事情，克服了距离给人类带来的困难。

（2）克服尺度困难

微纳米技术的发展创造了很多经济发展的机遇，但由于尺度非常小，在制造和加工时面临很多困难。通过机器人技术，我们可以把微纳米尺度的环境变成人类能够看到和摸到的，并且还可以进行操作和加工，克服尺度给人类带来的困难。

（3）克服环境困难

通过与生命医学技术的结合，机器人可以克服一些特殊环境下人类面临的困难，比如人无法直接进入人体的生理环境，但借助机器人我们可以进入到器官和细胞内进行诊断和治疗。

机器人帮助人类克服距离、尺度和环境给我们带来的困难

下面我们通过几个具体的应用案例来解释这三方面的发展：

以疾病诊断为例，通过机器人技术与网络技术的结合，我们可以实现医疗服务的远程传输，可以在人不能去医院的情况下进行远程诊断，疫情之下这项技术显得尤为重要。

比如远程实验，受疫情的影响学校大多转为线上授课，这使很多需要实验的学科教学受到很大影响，学生们失去了很多很重要动手实践机会，我们的远程实验室（Remote Lab）项目就是针对这一问题进行的，让学生不仅可以线上听讲，还可以线上做实验，大大扩展了线上教育能力，也对将来对电化教育的发展，特别是对不发达地区的学生能够提供更好的教育机会。

机器人技术在生产自动化中创造了很多价值，在生物医药、尤其是新药研发方面尤其未来可期。新药研发的成本非常高，美国制药工业每年新药研发投入不断增加，但是最终研发出来的新药数量却没有显著提升，这一难题被称为制药领域创新缺口（Pharma innovation gap），亟需新技术、新途径改变现状，特别是这次疫情让我们看到新药研发时间和成本的重要性。

研发经费投入与产出不成比例，出现制药领域创新缺口

据估算，如果能够在自动化程度较低的新药研发领域引入和较好应用机器人自动化技术，能够实现6800亿的新价值。我所在的港大新兴技术研究所近期研发的用于新药研发的自动化系统引入微纳米机器人，像流水线一样把细胞传送过来，用微纳米机器人把药放在细胞的特定位置上进行高速筛选并观测各项生物指标来测试药效，实现新药高速筛选和开发，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从7纳米到2纳米不断缩小，但硅胶材料终有尽头，想要进一步提高集成度势必要寻找新的材料、新的方法来制造芯片，并需要新加工和制造方法，在极小尺度下进行装配、测量，这些都需要引入微纳米机器人和自动化技术帮助我们克服尺度带来的困难。

机器人技术的发展建立在基础理论上，也即人类如何开发机器人。过去60年，人们开发机器人的灵感都来自和建立在仿生的基础上，比如人有手臂，我们就做一个机械手臂。现在我们需要新的启发和思路来开发下一代机器人技术。在基础研究方面，机器人面临的新机遇和挑战是类生命机器人（Bio-syncretic Robots）。

机器人与生物体具有各自的优点，机器人向生物体学习，生物体向机器融合，最终实现生命-机器深度融合，得到具有多重优点的类生命机器人系统

仿生机器人有“形仿”，形状一样但工作原理不同，比如人的手臂和机械臂；还有“功仿”，功能一样但形状、机理不同，比如飞机与鸟。而作为机器人下一步的新发展动力，类生学则是指机器人不仅要从生物系统学习，还要跟生物系统融合。这一点非常重要，无疑类生学会给机器人的发展带来很多新的机遇和新的应用。

以驱动为例，现在的机器人用电机驱动，能量转化率小于30%，也就是说有70%以上的能量都被浪费了，效率非常低，且负重比也很低。相比之下，人类和其他生物的肌肉能量转换率在50%以上，远高于电机，同时负重比也很高——蚂蚁可以举起比它的身体重很多倍的东西，但现在的机器人做不到。

我们希望把肌肉的机理、结构等生物系统和机电系统结合起来，形成一种新型的机电技术。

我们现在正在开发一款传感式助老机器人，希望能帮助那些由于肌肉萎缩、各种关节的问题导致行走有困难的老年人顺利行走，由于转动驱动方式、负重比和能量转换等各方面因素，使用传统的机电系统很难实现，所以我们选择引入人造肌肉形成机器人，从而使能量转换效率、负重比等各方面性能都能够大幅提高和改善，最终能够造出一种帮助人类行走的可穿戴式的机器人。

通过以上三个方面：工业机器人关键技术更迭、机器人从代替人类工作到超越人类极限、从仿生机器人到类生机器人的发展，我们看到了机器人发展的前沿和带来的机会。下一个十年是机器人技术发展的黄金时期，我们要抓住机遇，推动机器人的发展和应用。