來(lái)源：IEEE

自主化機(jī)器人已逐漸變得無(wú)處不在。

自動(dòng)吸塵器、自動(dòng)割草機(jī)、會(huì)簡(jiǎn)單交互的小玩具，以及呼之欲出的自動(dòng)駕駛汽車，都可以看作是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)某種自動(dòng)功能的機(jī)器人。

一輩接著一輩，我們一直在期待出現(xiàn)《星球大戰(zhàn)》中的那種智能機(jī)器人。然而，實(shí)際的情況卻是，那種以人體解剖學(xué)為靈感進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、能完成各種任務(wù)、滿足“通用”需求的機(jī)器人，卻離我們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)。

諸如Willow Garage的PR2，或者Rethink Robotics的Baxte之類的人形機(jī)器人，是我們一直都在研究的，但事實(shí)上，這類機(jī)器人已經(jīng)一敗涂地了。

Willow Garage機(jī)器人

創(chuàng)立一家機(jī)器人公司很艱難，既要考慮商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。目前，業(yè)界整體趨勢(shì)是要從銷售一個(gè)機(jī)器人過渡到銷售一種實(shí)際服務(wù)，例如修剪草坪，提供出租車，完成零售訂單或按磅采摘草莓。

然而，這顯然無(wú)法滿足R2-D2和C-3PO（星球大戰(zhàn)中的機(jī)器人）愛好者們的幻想。

R2-D2機(jī)器人

上面提到的這種商業(yè)模式強(qiáng)調(diào)的是制造適用于某一項(xiàng)具體任務(wù)的、房間或冰箱大小的專用機(jī)器人，而不是一個(gè)神通廣大、無(wú)所不能的通用機(jī)器人。

實(shí)際上，我們?cè)趥€(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）行業(yè)中看到了非常相似的發(fā)展趨勢(shì)。在1950年代，即使計(jì)算機(jī)可以像整個(gè)房間一樣大，并且只供少數(shù)特定的人使用。不過，公眾對(duì)計(jì)算機(jī)的未來(lái)充滿幻想。在那段時(shí)間里，對(duì)計(jì)算機(jī)的各種虛構(gòu)意象開始進(jìn)入人們的視線。

約翰·茂奇利（John Mauchly）在1962年的《紐約時(shí)報(bào)》上，發(fā)表了一篇題為“用掌上電腦取代購(gòu)物清單” 的文章，非常有遠(yuǎn)見地提出：“將來(lái)的小孩一定能玩轉(zhuǎn)個(gè)人計(jì)算機(jī)。”

1968年，道格拉斯·恩格爾巴特給出了一個(gè)令人遐想紛紛的演示，包括了在圖形屏幕上瀏覽超文本、運(yùn)用鼠標(biāo)——沒過幾年，這些演示就成為了現(xiàn)實(shí)。

由此看來(lái)，深入探究計(jì)算機(jī)革命成功的關(guān)鍵要素，可能會(huì)幫助我們進(jìn)一步看清機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及下一步我們應(yīng)該怎么做。

計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的共性

1970年代，大型主機(jī)即將被像冰箱那么大的微型計(jì)算機(jī)所取代，其價(jià)格不到25,000美元（相當(dāng)于2019年的165,000美元）。

這些計(jì)算機(jī)并不使用打孔卡，但是可以用Fortran和BASIC進(jìn)行編程，從而大大降低了創(chuàng)建應(yīng)用程序的難度。然而，當(dāng)時(shí)人們并不清楚，在需要快速、高效地處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，微型計(jì)算機(jī)是否能夠取代大型主機(jī)，更不用說(shuō)讓微型計(jì)算機(jī)進(jìn)入每個(gè)家庭。

這與現(xiàn)在的機(jī)器人行業(yè)非常相似。1960年代興起的大型工廠機(jī)器人（大型主機(jī)）感受到了如今快速發(fā)展的協(xié)作式機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)，這些機(jī)器人可以安全地靠近人類工作，并且可以被簡(jiǎn)單地安裝和編程（如同小型計(jì)算機(jī)）。在1970年代，這些數(shù)量非常有限的設(shè)備應(yīng)用價(jià)格可以媲美一輛豪車的系統(tǒng)，并且很難想象它們能成為消費(fèi)產(chǎn)品。

但是，就像計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展一樣，一個(gè)成功的體系結(jié)構(gòu)會(huì)迅速被克隆，從而降低其價(jià)格。

當(dāng)前，各種關(guān)于如何架構(gòu)、編程機(jī)械臂的新方法不斷涌現(xiàn)，機(jī)械臂制造商和自動(dòng)推車、機(jī)器抓手以及傳感器制造商進(jìn)行了聯(lián)合。這些組件可以搭配在一起，為建設(shè)一個(gè)類似于IBM PC模型、功能強(qiáng)大、盡可能依賴通用模塊開放式架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)通用平臺(tái)鋪平了道路。

鑒于通用計(jì)算機(jī)（也稱為“個(gè)人計(jì)算機(jī)”）花了數(shù)十年的時(shí)間才出現(xiàn)，通用機(jī)器人系統(tǒng)也因?yàn)轭愃频脑蚨鴷何闯晒Α４笮椭鳈C(jī)是為每種應(yīng)用程序定制的。就好比盡管打字機(jī)越來(lái)越智能化，但卻并不能直接整合到通用計(jì)算機(jī)上。事實(shí)上，考慮到當(dāng)前自主機(jī)器人的硬件成本及其相對(duì)較少的功能，比起讓一個(gè)協(xié)作式移動(dòng)機(jī)械手智能化，還不如直接建造一個(gè)專用的機(jī)器。

一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子是電子商務(wù)中的商品倉(cāng)庫(kù)。當(dāng)前的趨勢(shì)是在實(shí)體商店中預(yù)留一部分空間給一個(gè)微型的倉(cāng)庫(kù)中心，該中心通過自動(dòng)檢索系統(tǒng)和（人工）揀選機(jī)將貨物裝在小箱子中。

很多創(chuàng)業(yè)公司如Alert Innovation，Ocado Technology，TakeOff Technologies和Tompkins Robotics等最近籌集了數(shù)億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，以建造等同于機(jī)器人倉(cāng)庫(kù)中心的大型主機(jī)。這個(gè)功能與機(jī)械揀選器是相反的，后者可以穿過走廊，把物品從貨架上挑選，進(jìn)行補(bǔ)貨。

這樣的一個(gè)機(jī)器人倉(cāng)庫(kù)管理員將非常接近我們對(duì)通用機(jī)器人的愿景，但我們需要大量這樣的機(jī)器人，才能像真正的小型倉(cāng)庫(kù)一樣每小時(shí)執(zhí)行數(shù)百個(gè)命令。由于零售業(yè)的利潤(rùn)率已經(jīng)很低，因此即使再有效，該行業(yè)也不太可能產(chǎn)生我們所需要的技術(shù)上的飛躍，制造出配備C-3PO的機(jī)器人。

大型主機(jī)也會(huì)從另一方面受到挑戰(zhàn)。對(duì)新數(shù)字技術(shù)的迷戀引領(lǐng)了一場(chǎng)愛好者運(yùn)動(dòng)，他們自己創(chuàng)造微型計(jì)算機(jī)，并通過郵寄訂單或在RadioShack進(jìn)行銷售。

最初，許多小型企業(yè)通常以成套木制外殼的形式出售數(shù)十臺(tái)，最多數(shù)百臺(tái)設(shè)備。這種趨勢(shì)在出現(xiàn)以Apple II，Commodore PET和Tandy TRS-80為代表的“ 1977 Trinity”時(shí)，達(dá)到巔峰。這些完整的計(jì)算機(jī)的售價(jià)在今天的2500美元（TRS）到5000美元（Apple）之間。

這些計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用是它們的可編程性（基于BASIC），能夠幫助消費(fèi)者“學(xué)習(xí)繪制生物節(jié)律，平衡支票賬戶，甚至控制家庭環(huán)境”。同樣地，還有很多小工具可以探索機(jī)器人技術(shù)的不同方面，例如移動(dòng)性，操縱性和娛樂性。

就像剛起步的個(gè)人計(jì)算行業(yè)一樣，廣告功能充其量只是真實(shí)交易的模型。如今，娛樂機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)里程碑是最初的索尼公司的Aibo。這是一款機(jī)器狗，被宣傳具有真正的狗的許多特性，如有自己的性格，會(huì)玩玩具以及與主人進(jìn)行互動(dòng)。

該款產(chǎn)品于1999年發(fā)布，并于2018年重新推出，在喜歡其可編程性的愛好者和學(xué)者中，有一群忠誠(chéng)的粉絲，但可能只有少量用戶能接受它作為寵物替代品。

其他還有很多的“自行組裝機(jī)械臂”工具包，如uArm就是一個(gè)比較成功的例子，它的售價(jià)約為800美元，在廣告中，它能做包括取放物體，組裝，3D打印，激光雕刻等其他聽起來(lái)非常有價(jià)值的事情。通過非常吸引人眼球的視頻，來(lái)展現(xiàn)機(jī)器人能在受限的環(huán)境中執(zhí)行這些操作，已經(jīng)成功舉辦了兩次眾籌活動(dòng)，并將機(jī)器人確立為一種成功的教育工具。

最后，還有一些平臺(tái)可以讓編程愛好者探索、建構(gòu)機(jī)器人的移動(dòng)性，讓它能在房子周圍巡邏、拿東西或者提供網(wǎng)真能力。一個(gè)典型的例子就是Misty II。但就像原始的Apple II一樣，硬件價(jià)格與可應(yīng)用程序的保真度之間仍然存在脫節(jié)。

對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，這種脫節(jié)隨著1979年哈佛的第一個(gè)電子表格軟件VisiCalc的發(fā)明而逐漸消失，并促使許多人購(gòu)買了一整臺(tái)微型計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行該程序。VisiCalc之后又出現(xiàn)了文字處理應(yīng)用程序WordStar，其售價(jià)以今天的美元成交價(jià)算接近2000美元。WordStar也吸引了許多人購(gòu)買計(jì)算機(jī)，僅僅只是為了使用該軟件。這兩個(gè)應(yīng)用程序是被稱為“殺手級(jí)應(yīng)用”的早期示例。

隨著工廠自動(dòng)化的逐漸成熟，與微型計(jì)算機(jī)同等價(jià)格的機(jī)器人已經(jīng)能夠四處行駛并自動(dòng)執(zhí)行許多操作任務(wù)。現(xiàn)在的機(jī)器人工業(yè)，就像曾經(jīng)1973-1979年之間的計(jì)算機(jī)工業(yè)：1973年發(fā)布的Xerox Alto是第一個(gè)帶有圖像化用戶界面、鼠標(biāo)和特定軟件的計(jì)算機(jī)，1979年開始微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格逐漸跌至5000美元以下。

機(jī)器人的“殺手級(jí)應(yīng)用”

那么，機(jī)器人技術(shù)要怎樣才能像計(jì)算機(jī)一樣不斷地持續(xù)深入發(fā)展呢？

市場(chǎng)的需求可以告訴我們“殺手級(jí)應(yīng)用”可能是什么樣的。風(fēng)險(xiǎn)投資人和用戶往往會(huì)改造那些起初有遠(yuǎn)大目標(biāo)的公司，讓他們只聚焦細(xì)小功能。這些公司通常提供的產(chǎn)品都是非常類似的，如自動(dòng)推車、取貨、裝貨、卸貨、分揀等解決方案。這些公司一般都是為某個(gè)垂直行業(yè)提供單個(gè)應(yīng)用服務(wù)，如從箱子里拿衣服、運(yùn)送倉(cāng)庫(kù)貨物或者按磅采摘草莓等。他們?cè)噲D證明他們的技術(shù)簡(jiǎn)單而高效。

然而，這些公司很少能夠真正做大。其中一個(gè)例子是Kiva系統(tǒng)，現(xiàn)在成了亞馬遜的后勤機(jī)器人部門。Kiva以及其他一些類似的公司，都是圍繞基于用戶普遍需求的合理價(jià)值進(jìn)行架構(gòu)。但是，由于他們的解決方案過于特定化，因此很難產(chǎn)生大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益，無(wú)法像早期的計(jì)算機(jī)一樣，用戶會(huì)購(gòu)買昂貴的小型計(jì)算機(jī)來(lái)使用電子表格和文字處理應(yīng)用服務(wù)。只有當(dāng)這些功能開始可復(fù)合時(shí)，才能讓機(jī)器人解決方案更加有趣、吸引人。比如，不再單一地使用機(jī)器人從箱子里或拿東西、或裝貨、或運(yùn)輸，而是用同樣的硬件整合三個(gè)技能來(lái)重構(gòu)、建模機(jī)器人服務(wù)功能。

歷史上，一直是由等同于機(jī)器人的大型主機(jī)來(lái)解決簡(jiǎn)單的電子機(jī)械設(shè)備組裝問題，但是很少有創(chuàng)業(yè)公司能提供完善的解決方案。事實(shí)上，組裝電子機(jī)械部件，就相當(dāng)于換燈泡、換遙控器中的電池，或者對(duì)杠桿式意式咖啡機(jī)中的零部件進(jìn)行保養(yǎng)。這些任務(wù)的自動(dòng)執(zhí)行，意味著可以使用單個(gè)機(jī)器執(zhí)行一套完整的工作流程，最終大幅提升跨領(lǐng)域工業(yè)生產(chǎn)率。例如，從一個(gè)箱子中拿出一個(gè)物體，將其放在機(jī)器人上，運(yùn)送到別的地方，放置在架子上或者機(jī)器上，這個(gè)完整的流程既適用于制造業(yè)工作環(huán)境，也適用于零售商店，甚至是一個(gè)小小的廚房。

盡管上述的很多應(yīng)用都將慢慢成為現(xiàn)實(shí)，但是如果沒有能提供“殺手級(jí)應(yīng)用”的功能，我們?nèi)院茈y搭建一個(gè)有價(jià)值的應(yīng)用平臺(tái)。

Rethink Robotics的Baxter和Sawyer機(jī)器人率先創(chuàng)造了不錯(cuò)的用戶體驗(yàn)（如1973年的Xerox Alto，事實(shí)意義上的第一臺(tái)PC），但是其應(yīng)用也僅限于簡(jiǎn)單的拾放、裝貨、卸貨等功能，很難拓展到其他領(lǐng)域。

ROS率先開發(fā)了一款進(jìn)程間通信軟件，基于模塊化的思想，可適應(yīng)機(jī)器人應(yīng)用的不同需求（多臺(tái)計(jì)算機(jī)，不同的編程語(yǔ)言）。然而，由于缺乏通用的硬件平臺(tái)，尚不能實(shí)現(xiàn)單個(gè)的應(yīng)用，比如導(dǎo)航、路徑規(guī)劃或者抓取。這款軟件的性能已超出研究等級(jí)水平，并能應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)，越來(lái)越多的機(jī)器人設(shè)備，如智能化的機(jī)械臂、3D知覺系統(tǒng)等，都可以不再使用計(jì)算機(jī)作為中介進(jìn)行連接，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控硬件使用信息。

再舉個(gè)栗子。在Robotic Materials，少數(shù)幾個(gè)應(yīng)用程序上已經(jīng)取得了比較大的進(jìn)展，如從箱子中拿出物體并進(jìn)行組裝，只需單擊就結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和用戶界面優(yōu)化，對(duì)這個(gè)功能進(jìn)行配置。在這個(gè)應(yīng)用中，用戶可以定義物品類別、如何使用Web瀏覽器進(jìn)行抓取，然后在特定給機(jī)器人使用的圖像編程語(yǔ)言中以最好的方法進(jìn)行展現(xiàn)。這套流程也被應(yīng)用到了組裝功能上，用戶通過簡(jiǎn)單地拖拽命令語(yǔ)句就可以將基于感知的拾取和基于力的組裝功能進(jìn)行配置。