來源：IEEE

自主化機(jī)器人已逐漸變得無處不在。

自動吸塵器、自動割草機(jī)、會簡單交互的小玩具，以及呼之欲出的自動駕駛汽車，都可以看作是一個能實現(xiàn)某種自動功能的機(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、能完成各種任務(wù)、滿足“通用”需求的機(jī)器人，卻離我們越來越遠(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)險和技術(shù)風(fēng)險。目前，業(yè)界整體趨勢是要從銷售一個機(jī)器人過渡到銷售一種實際服務(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，而不是一個神通廣大、無所不能的通用機(jī)器人。

實際上，我們在個人計算機(jī)（PC）行業(yè)中看到了非常相似的發(fā)展趨勢。在1950年代，即使計算機(jī)可以像整個房間一樣大，并且只供少數(shù)特定的人使用。不過，公眾對計算機(jī)的未來充滿幻想。在那段時間里，對計算機(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《紐約時報》上，發(fā)表了一篇題為“用掌上電腦取代購物清單” 的文章，非常有遠(yuǎn)見地提出：“將來的小孩一定能玩轉(zhuǎn)個人計算機(jī)。”

1968年，道格拉斯·恩格爾巴特給出了一個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。

由此看來，深入探究計算機(jī)革命成功的關(guān)鍵要素，可能會幫助我們進(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算機(jī)所取代，其價格不到25,000美元（相當(dāng)于2019年的165,000美元）。

這些計算機(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，微型計算機(jī)是否能夠取代大型主機(jī)，更不用說讓微型計算機(jī)進(jìn)入每個家庭。

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)器人的競爭，這些機(jī)器人可以安全地靠近人類工作，并且可以被簡單地安裝和編程（如同小型計算機(jī)）。在1970年代，這些數(shù)量非常有限的設(shè)備應(yīng)用價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，就像計算機(jī)行業(yè)的發(fā)展一樣，一個成功的體系結(jié)構(gòu)會迅速被克隆，從而降低其價格。

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)通用平臺鋪平了道路。

鑒于通用計算機(jī)（也稱為“個人計算機(jī)”）花了數(shù)十年的時間才出現(xiàn)，通用機(jī)器人系統(tǒng)也因為類似的原因而暫未成功。大型主機(jī)是為每種應(yīng)用程序定制的。就好比盡管打字機(jī)越來越智能化，但卻并不能直接整合到通用計算機(jī)上。事實上，考慮到當(dāng)前自主機(jī)器人的硬件成本及其相對較少的功能，比起讓一個協(xié)作式移動機(jī)械手智能化，還不如直接建造一個專用的機(jī)器。

一個現(xiàn)實的例子是電子商務(wù)中的商品倉庫。當(dāng)前的趨勢是在實體商店中預(yù)留一部分空間給一個微型的倉庫中心，該中心通過自動檢索系統(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)險投資，以建造等同于機(jī)器人倉庫中心的大型主機(jī)。這個功能與機(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。

這樣的一個機(jī)器人倉庫管理員將非常接近我們對通用機(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庫一樣每小時執(zhí)行數(shù)百個命令。由于零售業(yè)的利潤率已經(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)也會從另一方面受到挑戰(zhàn)。對新數(shù)字技術(shù)的迷戀引領(lǐng)了一場愛好者運(yùn)動，他們自己創(chuàng)造微型計算機(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，最多數(shù)百臺設(shè)備。這種趨勢在出現(xiàn)以Apple II，Commodore PET和Tandy TRS-80為代表的“ 1977 Trinity”時，達(dá)到巔峰。這些完整的計算機(jī)的售價在今天的2500美元（TRS）到5000美元（Apple）之間。

這些計算機(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，例如移動性，操縱性和娛樂性。

就像剛起步的個人計算行業(yè)一樣，廣告功能充其量只是真實交易的模型。如今，娛樂機(jī)器人技術(shù)的一個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，會玩玩具以及與主人進(jìn)行互動。

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就是一個比較成功的例子，它的售價約為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非常有價值的事情。通過非常吸引人眼球的視頻，來展現(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，并將機(jī)器人確立為一種成功的教育工具。

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

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

隨著工廠自動化的逐漸成熟，與微型計算機(jī)同等價格的機(jī)器人已經(jīng)能夠四處行駛并自動執(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年之間的計算機(jī)工業(yè)：1973年發(fā)布的Xerox Alto是第一個帶有圖像化用戶界面、鼠標(biāo)和特定軟件的計算機(jī)，1979年開始微型計算機(jī)的價格逐漸跌至5000美元以下。

機(jī)器人的“殺手級應(yīng)用”

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

市場的需求可以告訴我們“殺手級應(yīng)用”可能是什么樣的。風(fēng)險投資人和用戶往往會改造那些起初有遠(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垂直行業(yè)提供單個應(yīng)用服務(wù)，如從箱子里拿衣服、運(yùn)送倉庫貨物或者按磅采摘草莓等。他們試圖證明他們的技術(shù)簡單而高效。

然而，這些公司很少能夠真正做大。其中一個例子是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，無法像早期的計算機(jī)一樣，用戶會購買昂貴的小型計算機(jī)來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，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技能來重構(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)來解決簡單的電子機(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)的自動執(zhí)行，意味著可以使用單個機(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，從一個箱子中拿出一個物體，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，甚至是一個小小的廚房。

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

Rethink Robotics的Baxter和Sawyer機(jī)器人率先創(chuàng)造了不錯的用戶體驗（如1973年的Xerox Alto，事實意義上的第一臺PC），但是其應(yīng)用也僅限于簡單的拾放、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（多臺計算機(jī)，不同的編程語言）。然而，由于缺乏通用的硬件平臺，尚不能實現(xiàn)單個的應(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水平，并能應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境。同時，越來越多的機(jī)器人設(shè)備，如智能化的機(jī)械臂、3D知覺系統(tǒng)等，都可以不再使用計算機(jī)作為中介進(jìn)行連接，還能實時監(jiān)控硬件使用信息。

再舉個栗子。在Robotic Materials，少數(shù)幾個應(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，對這個功能進(jìn)行配置。在這個應(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，用戶通過簡單地拖拽命令語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。