智能机器人崛起背后的中国力量

近年来,新一轮科技革命和产业变革蓄势待发,几乎所有的制造业强国都默契的把目光集中在了机器人领域。

日本政府在2015年公布《机器人新战略》,提出了三大核心目标:“世界机器人创新基地”、“世界第一的机器人应用国家”、“迈向世界领先的机器人新时代”。

美国政府在2011年就曾公布了《国家机器人计划(National Robotics Initiative)》,计划每年对以人工智能、识别(语音、图像等)等领域为主的机器人基楚研究提供数千万美元规模的支持。

欧洲在2014年,欧洲委员会与180多家企业或研究机构共同成立致力于机器人领域研究与创新的项目“欧盟 SPARC”,主要致力于在制造业、农业、卫生保健、运输、社会安全、家庭领域等推进实用机器人的开发。

中国同样格外重视机器人产业发展,认为机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。机器人是抢占智能社会发展先机的战略领域,机器人科技创新和产业发展将为全球经济注入新动力。

不可否认的是,机器人在我们的工作和生活中正扮演越来越重要的角色:工业机器人,支撑制造业智能化的关键装备,正在向生产制造各领域各环节普及渗透,加速变革既有生产方式,推动产业结构升级;服务机器人,提升生活品质的新型产品,正在逐步走进千家万户,加速改变传统生活方式,推动消费结构升级;特种机器人,能够在极端环境中作业,代替人工完成危险工作。

据国际机器人联合会IFR数据显示,2016年中国工业机器人销售量为9万台,已经是全球第一。但是在这9万台机器人中,本土品牌仅占一成。相比传统机器人强国日本,中国在技术方面的实力仍有不足。如何在新一轮科技革命和产业变革中抢占先机,实现弯道超车?目前,赛道已经铺设好了,但小编认为,不能仅仅依靠企业的力量去独自赛跑,这是一场“产学研”的接力赛,高校是一股不可忽视的力量。接下来,小编将为您详细介绍中日两国从事机器人领域教育和研发的顶尖高校,对比它们的研究成果,见证机器人崛起背后的中国力量。

管道机器人

日本-中央大学

中央大学(英语:Chuo University)创建于1909年,是日本东京五大名门学府之一,1949年正式成立一类工学院,机器人专业一直是其强势学科之一。

中央大学生物机电实验室致力于仿生机器人的研究,目前主要研究成果有管道检测蠕虫机器人和管道清洁蚯蚓机器人。

管道检测蠕虫机器人可以通过组合的充气橡胶人工肌肉提供稳定的力量,行走在狭窄的空间。它能在内径108mm以上的管道实现行走,最多能走100m,运行速度约50mm/s。

管道清洁蚯蚓机器人同样采用人工肌肉原理,被设计用于清洁住宅的通风设备管道。中央大学认为吸尘器不能完全清理干净通风管道,而灰尘积聚在通风管道中,会造成过敏和哮喘。

中国-上海大学

上海大学(Shanghai University),简称“上大”,是上海市属、国家“211工程”重点建设的综合性大学,国家教育部、国家国防科技工业局与上海市人民政府共建高校,国家“双一流”世界一流学科建设高校。

上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”,包含:20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术(包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术,在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。

该款机器人机器人在核电站细小管道、发动机等狭窄空间检测、军用侦察、医疗等领域有广泛的应用,未来还能应用于生命科学、精密组装和封装等领域。

软体机器人

日本-山形大学

山形大学(Yamagata University)创建于1848年,是日本知名的国立综合型高校。其软物质机器人协会致力于创造比传统的刚性机器人更柔软和更安全的软物质机器人。

山形大学已经开发出了软功能材料、软感知检测材料及软存储设备,并基于这些技术和材料开发了探索狭窄管道内部的绳索状移动机器人和治疗机器人。他们认为软物质机器人还可以应用于更多场合,如用于制造介护服务机器人、软材料可以最大限度保证人类的安全,也可以用于制造智能软体器官等。

中国-北京航空航天大学

北京航空航天大学(Beihang University)成立于1952年,由中华人民共和国工业和信息化部直属,中央直管副部级建制,位列“双一流”、“211工程”、“985工程”。

北航在软体机器人研究领域处于绝对的领先地位,今年9月份,国际顶级期刊《科学》(Science)杂志机器人子刊《科学·机器人学》(Science Robotics)以长篇封面报道刊登北航ITR软体机器人实验室文力副教授课题组牵头、与哈佛大学Wood教授实验室联合科研团队最新研究成果—仿生䲟鱼软体吸盘机器人。

䲟鱼是一个神奇的物种,它被称为“天生的旅行家”,是世界上最懒的鱼。虽然它天生的游泳技术并不是很好,但䲟鱼可以利用自身头部的扁平吸盘吸附于其他鱼或船的身上,从而“搭便车旅行”。

䲟鱼吸盘有很好的仿生学应用前景,主要体现在两方面:其一是通过吸附节省在水下的动力;其二是自动调节吸附力的大小。北航基于䲟鱼生物体机制研发的这种机器人虽然吸附力可观,却不会对吸附表面造成破坏。该项应用在军民领域有着良好的应用前景,如国防科技,水下救援、海洋生态检测等方面,可发挥重要作用。

事实上,这不是北航第一次做出优秀的软体机器人,今年3月,北航ITR软体机器人实验室与自动化公司FESTO合作研制的“软体章鱼触手机器人”发布,并在汉诺威工业展上获得了德国总理默克尔的青睐。这款机器人能为不同形状、大小的物体完成安全无损和有力的抓取,同样突破了刚性机器人的部分先天缺陷。

医疗机器人

日本-早稻田大学

早稻田大学(Waseda University)创建于1882年,伴随着日本学术界“学问要独立”的宣言声,日本当时的首相大隈重信创立了早稻田大学。目前已经发展成为世界著名的研究型综合大学 。

早稻田大学作为日本超级国际化大学计划(Top Global University Project)面向世界TOP100的A类顶尖校, 日本RU11学术研究恳谈会核心成员,环太平洋大学联盟(Association of Pacific Rim Universities)五所日本成员校之一,其影响力极为广泛。

早稻田大学人类辅助机器人实验室(岩田浩康实验室)最新的研究成果是一种能自动测量胎儿体重和羊水量等胎儿基本信息的自动孕检服务机器人。

为了确保母体和胎儿的安全,他们研制的超声波探头拥有4个自由度,可以根据腹部的形状变化,随时调整施加力度的大小。他们构建了一个系统,可以从二维超声图像中实时观察胎儿在子宫中的位置和姿势。该系统同时具有重建图像的功能,可以产生三维子宫数据库。

中国-东北大学

东北大学(Northeastern University)创建于1923年,是教育部直属的理工类研究型大学,也是国家首批“双一流”、“211工程”和“985工程”重点建设高校,由教育部、辽宁省、沈阳市三方重点共建。东北大学拥有中国国内985高校首个机器人科学与工程学院,由东北大学、中国科学院沈阳自动化研究所和沈阳新松机器人自动化股份有限公司合作组建的。

东北大学机器人竞赛团队“Action”于2016年、2017年连续两年获全国大学生机器人竞赛冠军,该团队在2015年时就创立了一家公司,企业愿景是把团队的每一个创意和产品都能解决一个社会问题。如今,该团队已经成功研制出了安全、有效的康复机器人。

该机器人包括外骨骼机械腿、跑台及升降系统、脑神经刺激训练系统、肌肉训练系统、虚拟现实训练系统、康复评估系统,能进行全方位立体化的下肢康复。该款机器人的原理是根据大脑的神经可塑性原理以及运动疗法,将患者脚部通过柔性机械脚与活动平板接触,模拟人正常行走过程,通过平板对脚、腿等运动神经的刺激,使患者“回想起”行走动作,恢复行走能力。

人工智能

日本-东京工业大学

东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)创立于1881年,是一所以工程技术与自然科学研究为主的日本顶尖、世界一流的理工类大学。在2016/17发布的QS世界大学排名中名位列世界第56名,日本第3名。2016年诺贝尔生理学・医学奖得主大隅良典教授就来自东工大。

东京工业大学到目前为止已经开发出150款以上的机器人,其中最具代表性的是可以自己思考的机器人SOINN。这是一款可以自己学习自己思考并能教其他机器人做事情的机器人,被称为世界上第一款可以自己思考的机器人。

SOINN可译为自组织增量神经网络(self-organizing incremental neural network),简单说就是通过类似人类听视触觉的装置给机械人输入音波/色彩/形状等一些基本常识,不断让它积累经验教训,当碰到一件未预设操作指令的任务时会自觉运用平时已掌握到的知识或技巧,经过独立思考做出判断并寻找最佳解决方案,使之能像孩童一样学习成长的“人造大脑”系统,属于目前人工智能领域最尖端分支的deep learning(深度学习)。

目前,该系统已经可以支持机器人进行简单的思考,执行模糊的命令,如发布“要一杯冷饮”的命令,机器人会经过思考后,将冰块放进杯子。

中国-上海交大

上海交通大学创建于1896年,原名南洋公学,是中国高等教育的多个源头之一,是中国教育部直属并与上海市共建的“综合性、研究型、国际化”全国重点大学,也是国家“985工程”、“211工程”、“双一流”重点建设院校,为九校联盟重点成员。

上海交通大学机器人研究所成立于1979年,有着悠久的机器人研究历史,在人工智能领域也颇有建树,其中最具有代表性的是脑脑接口技术,实现了人脑-蟑螂脑部的通信。

控制者头部佩戴便携式无线脑电采集设备,控制者根据视觉反馈和视觉刺激,脑部产生方向控制意图;计算机程序解码脑电信号,识别控制者的控制意图,控制意图转换为控制指令后无线发送到蟑螂的电子背包接收器;蟑螂脑部的触角神经被植入了电刺激的微电极,这样就制作出了一个可控的活体“机器动物”。

利用蓝牙通信技术,建立计算机同电子背包的无线通讯,电子背包可接收来自控制者大脑的指令,通过侵入式神经电刺激技术向蟑螂的触觉神经发送特定模式的电脉冲,进而实现人脑对蟑螂运动的控制。

先进技术

日本-东京大学

东京大学(The University of Tokyo)是世界级著名研究型综合大学,诞生于1877年,是日本第一所国立综合性大学,也是亚洲最早的西制大学之一,作为日本最高学术殿堂和七所旧帝国大学之首,其在日本社会有着举足轻重的历史性地位,在全球也享有极高的声誉。

东京大学的机器人研究涉及的领域非常全,尤其重视人、机械和信息结合的理论和系统的创造,同时注意培养思维缜密有行动和思考力的领导者和研究人员。因此,东京大学的机器人专业培养的不仅是知识,同时还让学生更好的去认识人的行为,进行设计创造,让学生拥有立足于世界的稳固的知识和经验。

东京大学研究内容几乎涵盖了所有智能机器人的研究,包括机器人视觉、驱动、外骨骼等,具有代表性的产品为一款能够像人一样以前倾姿势奔跑的高速双足机器人“Achires”。

Achires由金属制成,腿长14厘米,目前还只有从腰部到腿部的部分,上半身尚未制造,其行动速度为时速4.2公里,相当于人类小跑的一般速度,如果换算成腿长70厘米的人类,则相当于时速20公里。

该系统采用了两项关键技术,其中一项关键技术是高速双足机器人运动机构,基于轻量化和高输出电机的紧凑型结构,可以在落地瞬间踢地面,并在空中高速返回到落地姿势;另一项关键技术是高速视觉技术,利用600fps的摄像机,高速识别机器人的状态/姿势,确保ZMP控制(零力矩点控制)的稳定性。

中国-哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学(Harbin Institute of Technology)始建于1920年,是中华人民共和国工业和信息化部直属、中央直管副部级建制的全国重点大学,位列双一流、211工程、985工程,为“九校联盟”主要成员,享有“工程师的摇篮”之美誉。

哈工大是我国最早开展机器人技术研究的高校之一,依托学校建设了机器人技术与系统国家重点实验室,早在上个世纪80年代,即研制出我国第一台弧焊机器人和第一台点焊机器人,是我国第一台电焊机器人、弧焊机器人、爬壁机器人、空间机器人、月球车的诞生地。

最近,实验室在磁控微纳机器人研究方面取得突破。微纳机器人是指在微纳尺度上能够将不同形式的能量转化为机械运动的纳米机器。由于其尺寸小、装载能力强等特点,微纳机器人有望横穿生物组织,将在药物靶向输运和肿瘤精准治疗等生物医学领域有巨大的应用前景。实验室通过采用仿生原理,首次发明了一种由振荡磁场驱动的镍-银-金-银-镍多金属复合结构纳米机器人。该机器人直径约为400nm,由多节柔性铰链组成,可模拟游泳运动员“自由泳”双臂交替运动形式在低雷诺数流体中快速移动,极大提高了磁驱纳米机器人的运动效率。实验测试发现该新型双臂型纳米机器人的运动速度可达到每秒60个身长,约为其他同类柔性纳米机器人的10倍。该纳米机器人不仅可以在水溶液中运动,还可以在血清等生物环境中进行快速运动,通过改变外源磁场的方向可以对机器人的运动方向进行精确控制。

同时,实验室还将人工智能技术引入到微纳机器人运动控制中,发明了一种能够在复杂环境中可实现精准导航的智能微纳机器人。该智能微型机器人的全自动导航系统由图像检测与识别单元、人工智能控制器、磁场调控执行器组成。图像检测与识别单元为化学驱动的Janus微球机器人提供实时定位,同时通过检测周围环境为其规划理想无碰撞的行驶路径。该新型智能微纳机器人可在错综繁杂环境中自主规划路径、导航和躲避固定、移动障碍物,还能对目标对象及时识别,如可识别癌细胞和正常红细胞等,将来可以应用于复杂生物体系中的诊断治疗。

值得一提的是,哈工大不仅在机器人领域的“学”和“研”上拥有学术优势,而且已经转化为了“产”的效益优势。哈工大通过技术成果转化,形成了包括哈尔滨博实、安徽埃夫特两家国内机器人龙头企业在内的机器人公司近100家。

2014年更是联合黑龙江省政府、哈尔滨市政府联合创立哈工大机器人集团公司,秉承“一批全球领先的产品,一支全球领先的队伍,一个全球领先的模式”的理念,贯彻“打通技术逻辑和市场逻辑,全面对接资本市场”的要求。仅仅成立三年,便推出了20余类、100余种高新技术产品,申报专利700余项,依靠全新的孵化模式和壁垒优势,创造全新的机器人产业业态。

结语:

总体而言,日本机器人产业起步早、基础好,如今更是已经成为全球机器人产销大国,赢得了“机器人王国”的美称。但在前沿技术研究领域,单从其高校研究成果来看,创新能力严重下降,技术突破有限。中国机器人领域高校在面对多国列强的竞争压力下,既能够仰望星空、对标国际先进技术,又能够脚踏实地、开展基础性研究,持续积攒力量,将来定会喷薄而出。

古代流传着这样一个神话,传说大力士赫拉克勒斯在直布罗陀海峡竖起了两根柱子,用来表示世界的边界,因为当时人们认为世界是平的。因此,地中海的船员们就被警告说:“不要越界,不要越过这些柱子。”他们从不越界,因为担心自己会从地球上掉下去摔死。因此,“不要越界”就是一种警示,同时也意味着终极之所,最难以到达的地方。哥伦布航行经过这些柱子之后,继续往西航行最终到达东方,并发现了新大陆。西班牙国王卡洛斯五世把这些柱子的形象绣在了国旗上,同时他将那句名言改成“超越极限”,意思是不要迷信权威和历史,要不断实现超越,不要停止努力和探索。

相信在高校力量的加入下,会有更多的科技成果转化为应用,助力机器人产业发展。未来,中国机器人会走出国门,冲向世界,占据机器人产业首席宝座或许不再遥远。

本文来自企鹅号 - 全球大搜罗媒体

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