走向未来的机器人又还需要克服怎样的关卡？

文/陈根

两周前,造车的特斯拉突然成为了机器人圈内的热点,马斯克在特斯拉AI Day的结尾以一个彩蛋的形式宣布特斯拉正在开发的人形机器人,立时引起人们的热议。马斯克提到,这款人型机器人最早会在2022年投放市场,而就机器人行业发展现状来看,这无疑又是一个激进的目标。

上周,特斯拉公开招聘与机器人相关的职位,包括机械工程师-执行器集成、机械工程师-制动器齿轮设计、高级人形机电机器人架构师、高级仿人建模机器人架构师。而在9月1日,特斯拉又发布了8个与其人形机器人Tesla Bot的相关的招聘岗位。特斯拉连续几次发布招聘,确实有了实干的气氛。

无论马斯克的人形机器人制造计划能否如期完成,马斯克作为科技创新界的顶流,都再一次把智能机器人推到了大众面前,引起更大范围的讨论。机器人的发展现状究竟如何?走向未来的机器人又还需要克服怎样的关卡?

从想像到现实

机器人,作为人工智能的技术代表,也是当前所有先进技术中最特殊的技术。

事实上,“机器人”一词,从诞生开始就超越了科学技术的范畴,进入社会心理的视野,成为百年来大众文化消费中的主要题材之一。在数千年前的神话故事、文学想象中的机器人形象身上,人们可以寻找到人类对机器人的情感变化历程。这也是人机关系形成的线索之一。

在古希腊罗马时期,原始机器人以活雕像和各种“神奇”的机器的形态存在:只要往石雕的狮身鹰头张开的大嘴里扔进八枚硬币,“圣水”便会自动从石兽的眼睛里流出来。祭司在庙宇前点燃圣火,庙宇的大门便会按照现代工程师的说法“自动”开启。亚历山大城的赫龙和希腊时代的其他机械师们制作的雕塑,常常成为迷信祭祀的偶像。

关于机器人的“可靠”的记载,最初出现在著名的荷马史诗《伊利亚特》里。其中,荷马描绘了一个黄金做成的女人帮助炼铁神赫淮斯托斯的故事。显然,对于现代工业机器人祖先们的故事,常常带有浓厚的神话传奇色彩。这与其说是在记载事实,不如说是人类的一种美妙幻想。

在技术不断追逐人类想象的历史进程下,1939 年纽约世博会上首次展出了由西屋电气公司制造的家用机器人Elektro,但它只是掌握了简单的语言,能行走、抽烟,并不能代替人类做家务。

20世纪40-50年代,美国许多国家实验室进行了机器人方面的初步探索。1954年,美国的 George Charles Devol设计并制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了专利。机器人终于从想像过渡到现实,并开始了发展。

进入80年代后,随着计算机、传感器技术的发展,机器人技术已经具备了初步的感知、反馈能力,在工业生产中开始逐步应用。工业机器人首先在汽车制造业的流水线生产中开始大规模应用。随后,诸如日本、德国、美国这样的制造业发达国家开始在其他工业生产中也大量采用机器人作业。

近年来,机器人产业取得了前所未有的“大跃进”,朝着越来越智能的方向发展,多种传感器得到的信息在机器人中进行融合,使得机器人越来越能够有效的适应变化的环境,具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。

随着劳动力成本的不断提高、技术的不断进步,各国陆续进行制造业的转型与升级,出现了机器人替人的热潮。同时,机器人技术发展日新月异,服务机器人也开始走进普通家庭的生活。世界上许多机器人科技公司都在大力发展机器人技术,机器人的特质与有机生命已经越来越接近。

工业机器人正领航发展

机器人是综合了机械、电子、计算机、传感器、控制技术、仿生学等多种学科的复杂智能机械。根据不同的应用领域,又可大致分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三类。其中,工业机器人占比最大,是智能制造行业发展的重要推动力。

考察过近代工业制造的发展历程,就足以理解机器对加工制造业的意义之重。1784年,蒸汽机的诞生成为第一次工业革命的里程碑,蒸汽机被可靠地使用,产生了新一代的蒸汽动力引擎,带动了第一次工业革命。

结合了工、技、贸,的“科技化+工业化”,奠定了工业时代成功的基础。同样的,在今天,科技化与工业化的结合也会促进新一时期工业时代的发展。在以信息化、数字化为特征的新兴技术里,工业机器人的力量也不可小觑。

工业机器人已经成为智能制造的关键一环。究其原因,对于工业机器人来说,能够协助解决制造过程中的问题是首先要考虑的。或者说,正如过去的任何一次工业革命中,机器对生产率的提高一样,工业机器人最大的贡献是在于对制造业生产力的改善而不是机器人自身的获利。

工业机器人的智能部分可以以“代理”的方式来看——任务分配至控制系统的底层进行处理,加上传感器、视觉影像、逻辑控制与通信共同协作而达成底层级(或称为核心层)的精简有效的控制系统。系统里众多的“代理”相互沟通进而产生了一个群体智能。

这个群体智能可以应用在各种各样的生产活动中,可以是在不同的单品生产线中,也可以在不同的生产规模中,包括使用在一些柔性生产线上。将工业机器人应用到工业生产线上,不仅可以提高生产效率,还可以改善工作环境,保证工人的生命安全,同时减少原材料的损耗,从源头降低了工业成本。

对于中国来说,当前,工业机器人发展似乎风头正劲。工业和信息化部发布的《2020年1-12月机器人行业运行情况》显示,2020年累计生产工业机器人23．7万套,同比增长19．1%,创下中国工业机器人单年产量最高纪录。

根据国家统计局发布的消息,2021年1-2月份,全国规模以上的工业机器人产量4．54万套,同比增长117．6%,创下历年同期新高。中国制造向“中国智造”升级中,机器人正在扮演着越来越重要的角色。

工业机器人得以发展,根本上是由于技术进步规模效应带动工业机器人价格下降。工业机器人发展的初期阶段,高昂的价格一度是阻碍众多中小企业购置设备、建设智能化生产线的主要因素。随着国产工业机器人带来的市场冲击,制造技术的进步和制造成本的快速下降,工业机器人近几年价格呈现明显的下降趋势。

此外,制造业方面,人力成本正在不断提高,对劳动密集型产业造成明显冲击,企业为压缩成本转向更经济的生产模式,机器换人成为大势所趋。同时,适龄劳动人口下降,人口红利消失倒逼产业发展。这意味着,未来中国适龄劳动人口占比仍将处于较低水平,对产业自动化发展产生迫切需求。

在多方面影响下,工业机器人自然也就呈现高速发展的态势。

在机器人赋能百业之前

机器人替代人工生产是制造业重要的发展趋势,是实现智能制造的基础,也是未来实现工业自动化、数字化、智能化的保障。尽管当前中国工业机器人在制造和工业设施领域的应用变革势头迅猛,但无论是从制造业方面还是应用方面来看,中国工业机器人与发达国家之间依然存在较大差距。

从制造方面来看,工业机器人是沿着把自动化作为底层技术,再走向数字化、网络化、智能化发展的脉络,越往上走,越需要芯片、软件和算法的助力。而即便自2010年起中国的制造业产值就已超过美国,规模发展水平较高,但质量效益并不高,仍然有很大的提升空间。

时下,发达国家的工业机器人制造已经进入到了智能阶段,而中国还处于入门阶段。据《第一财经》报道,国产工业机器人凭借性价比、渠道等优势,已经占据了国内很多细分领域的大部分市场,但在关键技术、材料、零部件等方面还是与国际的先进水平有一定差距。

新安装的机器人中,有71%的零部件皆来源于国外,国产化率不足30%。其中,在上游最重要的三大零部件——减速器、伺服电机和控制器中,国产化率分别约为30%、22%、35%,相对较低,在产品精度、稳定性等方面依旧存在很大成长空间。

同时,中国工业机器人同质化十分严重。现阶段,很多工业机器人品牌的产品在性能、外观、技术甚至是营销手段上都呈现出相互模仿的现象,就连各个厂商研发产品的核心技术和生产目的都是一样的。因此,纵观现在的工业机器人市场,几乎没有什么表现突出、具有一定竞争力的机器人产品。

在应用方面,发达国家的工业机器人已经有一套完整的设备应用在工业生产线上,并且在运用工业机器人方面已经十分熟练,甚至于不需要配备专门的工业机器人操作人员,就可以使工业机器人完成其运行,而中国的工业机器人应用还需要配备专门的工业机器人技术操作人员,来辅助完成操作。

日本在十九世纪二十年代工业机器人就已经普及,但目前为止,中国工业机器人的发展仍处于初级阶段,正面临着向高端转变,承接国际先进制造以及国际分工等重大挑战。

工业机器人的不断发展创新对从业人员提出了更高的要求,而该领域的人才供需失衡的矛盾正日益凸显。在制造方面,伺服电机、控制器、减速器成为制约中国工业机器人产业的主要瓶颈,而中国这方面的技术人才极为匮乏。在应用方面,相应操作维护、系统安装调试、系统集成等工业机器人应用人才缺口很大。

种种迹象表明,机器人大规模走进生产和生活已经不再是科幻片中的假象场景,正在和必然成为现实。以工业机器人为首,在克服诸多障碍和关卡的未来,机器人还将赋能百业,面目全新。