【RoboCup】机器人世界杯的产业启示

第 19 届 RoboCup 机器人世界杯赛及学术大会 7 月在合肥成功举办。这是全球大规模机器人竞赛中专业性最强、水平最高的赛事。应邀在学术大会上做主旨演讲的高文院士在接受采访时指出,我国虽然在传统机器人领域起步较晚,“但是新型机器人不见得落后”。我国在本届世界杯上的出色表现有力地支持了高文院士的这一判断。

我国机器人事业正进入高速发展期,在此关键时刻举办机器人世界杯极大地提升了我国在本领域的国际影响力,同时也带给我们一些有益的启示。基于对机器人世界杯方方面面的观察与思考,围绕机器人领域的科技创新,本文就两个重点问题谈一些粗浅认识:一个是关于机器人研发及产业化发展模式的基本判断,另一个是关于消除科研与应用相互脱节的具体途径。

发展模式创新:创新与创意有机结合

广义的创新包含多种形态,“创意”也是其中的一种,但与典型的科技创新有根本性区别。当前的“网络时代”建立在“创意为主的发展模式”之上——电子邮件、微信、微博和电商等服务的研发与推广,周期短、见效快,带来巨大的经济和社会效益,却不需要长期的科技攻关和根本性的技术突破。但是,更早的“计算机时代”则大为不同,是建立在大规模集成电路和计算机系统软件等一系列本质性技术突破的基础之上的,属于“创新为主的发展模式”。

那么,机器人时代的发展模式是什么?是延续“创意为主”,还是回归“创新为主”,或者二者都不是?对这个问题的判断将根本性地影响机器人时代的战略抉择。

回顾“RoboCup 机器人世界杯及学术大会”的历史,或许有助于我们找到答案。大会于 1997 年创立,参照“阿波罗登月”等国际重大科学工程,提出了一个 50 年的远景目标:到 2050 年前后,自主机器人足球队战胜人类足球的世界冠军队。这个目标的真正含义不是要让机器人与人对抗,而是要把机器人某些方面的能力发展到与人类相近的程度,从而能够为人类提供大范围的服务,完成一些以往只有人才能做到的事情。大赛最初只有“机器人足球”一个系列比赛,经过不断发展,2008 年开始稳定为五个大项:“机器人足球”重点关注机器人硬件和底层控制—感知技术,以及多机器人系统的合作与对抗;2003 年增设了“救援机器人”系列,以灾难情况下幸存者搜救为主要目的,重点发展机器人在恶劣复杂环境中的运动、感知和控制技术;2006 年起,增加了“服务机器人”系列,并从最初的一个大项迅速发展为本届的四个大项,分别涉及家庭等环境中的个人服务机器人和智能装配等应用领域的专用服务机器人。

本届大赛有不少新亮点。比如,中国科大联合国内外高校,设立了“服务机器人精确测试”比赛项目,首次在实体机器人比赛中引进自动裁判系统,对服务机器人的行为和性能进行精确的自动测量和评价。再比如,首次对参赛机器人的硬件成本进行了限制,成本过高的机器人不能参赛。从某种程度上说,这些新亮点代表了机器人产业未来发展的趋势。“自动裁判”的价值远远超越比赛本身,对于提升服务机器人和特种机器人的科研水平,以及未来这些种类机器人产品的自动检测,都具有重大意义。而限制参赛成本则有利于科研成果的应用转化,也有利于改善国产机器人零部件的生存环境。中科大利用国产零部件研发的可佳低成本移动平台获得该项比赛第一名,从一个侧面证实了在服务机器人上使用国产零部件的发展潜力。

上述发展轨迹表明,十余年来,大家对机器人应用的关注度持续升高,在本届世界杯中表现尤为显著,但 50 年的远景目标仍然保持不变。在大部分比赛项目中,具有广泛应用背景的智能机器人关键技术,始终是研究和测试的主体对象。

再回到最初的问题,笔者认为,机器人应用这种长期性、全球性态势说明机器人时代将是一种创新与创意有机结合的发展模式,既需要创意新的服务功能和商业模式,也需要进行根本性的科技创新。两者不是简单叠加,而是有机结合,这样既能极大简化复杂的应用问题,同时以提升科技创新的效率和效果。

笔者得出这个判断的根本依据是:机器人应用所面临的创新难度,很多情况下高于计算机应用。我们知道,计算机得以普及的一个关键因素是“标准化”,这不仅意味着大量不同的计算机可以统一到一个“标准”之下,更重要的是,意味着每一台(普通)计算机的内部运作与其外部环境是无关的——计算机的运作不需要考虑它的用户和环境的不同。但是一般而言,这种“环境无关性”对传统工业机器人以外的其他种类机器人是不成立的。面对一些普遍性的复杂应用,机器人必须能够适应大量不同的、变化的人类环境,这是一项前所未有的重大科技挑战。

上述判断意味着,与当前和以往的任何时代相比,机器人时代将非常不同——一个更加千姿百态、更加千变万化的时代。不仅发展空间更加广阔,而且“洗牌”的频率和幅度将更快更大。在更长久的时空内,新技术成果将源源不断地转化为新产品和新服务,带来源源不断的新机遇和新挑战。一次“胜者为王”将不再能一劳永逸,只有持续不断地创新才能真正“立于不败之地”。因此,局部的“短平快”和以创意为主的产品研发在一些情况下虽然仍然有效,但全局的“短平快”必将最终导致整体创新战略的落空。

研用结合的突破:在真实或接近真实的应用环境中测试

简单地说,“基于用例的测试”就是将机器人放到真实或接近真实的环境中,让它们完成真实世界中存在的任务,通过对其完成度的检验,测试参赛机器人的系统性能。比如服务机器人测试,就是看其在家庭环境中,是否能完成倒水等家务劳动等任务;救灾机器人测试,就是看它们在模拟的地震、爆炸、火灾等环境中,能否成功找到被困人员。

在 RoboCup 机器人世界杯中,各项比赛都采用这一评价方法。这些任务的完成情况,主要取决于相关关键技术的研发水平。回顾历届大赛,应该说比赛应用环境的设置正逐年向真实环境靠拢,任务的难度也逐年提高,越来越接近真实应用。例如,本届大赛中“家庭服务机器人”项目,包含大约 10 个标准测试,所有测试都在简化的家庭环境,或者真实的超市、餐馆中进行。测试任务包括常规的室内服务(如端茶倒水、清理房间)和紧急情况(如失火)下的人员救助。能否完成测试任务,涉及一些前沿技术的研发。比如“紧急救助”测试,要求机器人能够对用户的姿态和行为进行识别。这是国际机器人前沿研究中的一个新课题,目前还没有成熟技术。

与学术论文中的传统实验评价相比,“基于用例的测试”有四个主要区别。第一,学术论文中的实验对象通常是某一个具体的方法、算法或理论模型等,而不是整机。第二,论文使用的测试数据通常是事先收集整理的,而不是直接在真实应用场景中由机器人自身获得的。第三,论文中的实验设计是由论文作者制定的,而“用例”的设计是由第三方专业机构经过专门研究制定的。这在 RoboCup 机器人世界杯各个项目的比赛中表现为一套详尽的规则。第四,相对于论文评审和项目验收等传统评价方式而言,成果评价的客观性得到了有效的提高。

归结起来,“基于用例的测试”是依据第三方专业机构制定的统一的测试准则,在真实或接近真实的应用环境中,测试真实用户任务的完成情况,对机器人整机进行客观的大规模对比实验。

近年来,国家自然科学基金委组织的智能车大赛、美国国防部高级计划局组织的无人车沙漠越野赛和机器人挑战赛等,都采用这种方式作为成果评价体系,并取得了显著效果。这种测试方法也是国外许多机器人公司的选择。在本届机器人世界杯产业峰会上,德国库卡机器人公司研发总监、欧洲机器人联合会副主席比斯乔夫介绍了库卡公司将“基于用例的测试”作为创新研发重要手段的做法和意义。目前全球最大的服务机器人厂商 Aldebaran,是另一个“基于用例的测试”的受益者。该公司为 RoboCup 机器人世界杯“标准平台组”提供硬件平台,根据参赛队连续多年的测试结果进行产品升级,大大加快了产品研发与推广。

长期以来,科研与应用之间的严重脱节是我国科技成果转化的“老大难”,严重阻碍了国家创新战略的有效实施。在机器人研究现阶段,在我国现有科研评价体系下,论文中的科研成果绝大多数与实际应用之间存在很大距离,需要漫长的转化过程。可是,这个关键过程在国内几乎无人问津,已成为我国科研成果应用转化的最大瓶颈之一。

“基于用例的测试”是科研成果(包括论文和专利成果)向实际应用转化的一条快车道。经过“基于用例的测试”所获得的成果,与论文中的成果相比,大大缩短了与实际应用之间的距离,转化难度和转化所需的投入都大大降低了。笔者建议,在机器人及相关领域中更大范围、更大力度地开展“基于用例的测试”,并在科研评价体系中设置相应的评价指标,作为论文和专利两个传统指标的重要补充。同时,可以此为切入点,尝试突破成果转化瓶颈的新途径。相信这对于落实国家机器人创新战略,将是一种有益的探索。

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2015-09-13

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