超限機(jī)器人技術(shù)：應(yīng)用與挑戰(zhàn)

　　機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科、綜合性的領(lǐng)域。 機(jī)器人發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自兩個(gè)方面：

　　一是新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，二是新應(yīng)用的拉動(dòng)。

　　從這兩個(gè)方面，推動(dòng)和拉動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。所以我們從新技術(shù)的出現(xiàn)和新應(yīng)用的出現(xiàn)來(lái)談一下機(jī)器人的發(fā)展。

　　當(dāng)機(jī)器人最開始出現(xiàn)的時(shí)候，機(jī)器人和人在同樣的環(huán)境里進(jìn)行工作，發(fā)展機(jī)器人主要的目的是代替人。由于信息技術(shù)的發(fā)展，從機(jī)器人簡(jiǎn)單地代替人，現(xiàn)在發(fā)展到可以擴(kuò)展人的能力，機(jī)器人除了能夠干一些人能干不想干的工作以外，還能干一些人干不了工作。比如機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)后，我們?nèi)丝梢酝ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)處的機(jī)器人，就可以做一些人夠不著、摸不著的事情，所以信息技術(shù)給機(jī)器人的提供了新的動(dòng)力，同時(shí)也提供了新的應(yīng)用。

　　另一方面，納米和微納米技術(shù)的發(fā)展也給機(jī)器人提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　比如在微納米領(lǐng)域，最具有挑戰(zhàn)性的問題就是環(huán)境非常小，我們要操作的位置也非常小，是看不見、摸不著的，現(xiàn)在機(jī)器人把原來(lái)看不見、摸不著的東西變得能看到、能摸著，擴(kuò)展了人在微小環(huán)境里的加工能力。生物技術(shù)的發(fā)展也給機(jī)器人提供了很多新的應(yīng)用領(lǐng)域，但是生物領(lǐng)域跟傳統(tǒng)的制造業(yè)不太一樣，因?yàn)榧?xì)胞生活在特定的生理?xiàng)l件下，要把機(jī)器人技術(shù)推廣到這個(gè)領(lǐng)域，不僅是操作的物質(zhì)很小，環(huán)境也很特別。

　　所以從這三個(gè)方面講，機(jī)器人能夠擴(kuò)展人的能力，能夠克服距離給人帶來(lái)的困難，也能克服尺度給人帶來(lái)的困難，還能夠克服環(huán)境給人帶來(lái)的困難，比如生理環(huán)境。綜合起來(lái)，機(jī)器人除了簡(jiǎn)單地代替人以外，還能拓展人的能力，這就是我們所說(shuō)的超限機(jī)器人，超越人的限度，克服距離、尺度和環(huán)境給人類帶來(lái)的困難。

　　下面講一下這方面我們做的具體工作。

　　信息技術(shù)給人的發(fā)展帶來(lái)了什么新的機(jī)遇和應(yīng)用?

　　機(jī)器人最重要的應(yīng)用就是自動(dòng)化，機(jī)器人是自動(dòng)化的工具。但是要達(dá)到自動(dòng)化的目的，首先要有機(jī)器人，同時(shí)還要有傳感器，這兩個(gè)東西結(jié)合起來(lái)才能產(chǎn)生自動(dòng)化。

　　因?yàn)橥ㄟ^(guò)傳感器可以把物理世界的信息變成數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以作決策，反過(guò)來(lái)作用到物理世界上，這就是自動(dòng)化的過(guò)程。

　　現(xiàn)在機(jī)器人和傳感器變成了一個(gè)從信息世界、數(shù)據(jù)和物理世界中間的交互工具，所以機(jī)器人從簡(jiǎn)單的代替人的工具變成了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，這個(gè)就是信息技術(shù)發(fā)展帶給機(jī)器人的新角色。

　　通過(guò)機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)，我們可以形成所謂的物聯(lián)網(wǎng)，機(jī)器人通過(guò)傳感器可以監(jiān)測(cè)環(huán)境，同時(shí)還可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人可以遠(yuǎn)程使用加工設(shè)備進(jìn)行加工。

　　這樣可以把原來(lái)距離給人類帶來(lái)的困難通過(guò)機(jī)器人技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了。同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一些醫(yī)療的診斷和治療，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讓機(jī)器人做一些安全和國(guó)防方面的工作。

　　具體開發(fā)技術(shù)有哪些?

　　我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人的結(jié)合，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的感知和操作。這樣，網(wǎng)絡(luò)不僅能夠傳播信息、數(shù)據(jù)、聲音等多媒體信息，現(xiàn)在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還可以傳播動(dòng)作、感覺，把這些動(dòng)作、感覺和傳統(tǒng)的聲音、圖像結(jié)合起來(lái)，就要叫超媒體。

　　這有什么應(yīng)用呢?

　　首先可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)支持遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，進(jìn)行乳腺癌的遠(yuǎn)程診斷。

　　我們知道乳腺癌傳統(tǒng)的診斷手段是通過(guò) X 光，但是 X 光診斷只能診斷出 80%左右的腫瘤，由于腫瘤的位置和大小的不一樣，有 20%不能通過(guò) X 光診斷，要通過(guò)醫(yī)生用手摸的辦法來(lái)診斷。這個(gè)就跟醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)很有關(guān)系，在很多邊遠(yuǎn)地區(qū)沒有這種有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生，我們通過(guò)機(jī)器人技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，醫(yī)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，機(jī)器人不僅可以操作，本身還有傳感器，可以把病人身體上的感覺通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到一個(gè)遠(yuǎn)程的地方，通過(guò)裝置再現(xiàn)出來(lái)，這樣醫(yī)生在遠(yuǎn)程通過(guò)裝置和機(jī)器人就能夠感覺到機(jī)器人感覺的信息，醫(yī)生就可以直接對(duì)這個(gè)病人進(jìn)行診斷。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人把病人和醫(yī)生之間的距離拉近了。

　　在制造方面，現(xiàn)在很多工廠都是由于勞動(dòng)力價(jià)格的原因設(shè)置在別的國(guó)家。

　　比如說(shuō)美國(guó)汽車的座椅是在美國(guó)設(shè)計(jì)的，但是生產(chǎn)可能在墨西哥生產(chǎn)，所以要對(duì)座椅的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。怎么檢測(cè)呢?是人摸這個(gè)椅子，感覺軟硬程度進(jìn)行打分，判斷這個(gè)椅子達(dá)沒達(dá)到要求。

　　但是遠(yuǎn)程的情況下通過(guò)機(jī)器人技術(shù)，機(jī)器人帶有傳感器，通過(guò)機(jī)器人摸這個(gè)椅子，把感覺通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳過(guò)去，設(shè)計(jì)人員在遠(yuǎn)程摸這個(gè)裝置，跟直接摸這個(gè)椅子的感覺是完全一樣的，這樣能夠進(jìn)行質(zhì)量控制以及幫助他們進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)機(jī)器人和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就把生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中間的距離縮短了。同時(shí)我們還可以用這種技術(shù)進(jìn)行客戶定制，比如你現(xiàn)在去買車，每個(gè)椅子都是一樣，但是如果有這個(gè)機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型把感覺再現(xiàn)出來(lái)，買車的時(shí)候可以一直摸，直到選出合適的，然后根據(jù)數(shù)據(jù)造出一個(gè)椅子，滿足你的需求。這里主要的觀點(diǎn)是通過(guò)機(jī)器人技術(shù)把設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和用戶之間的距離縮小了。

　　微納米技術(shù)給機(jī)器人的發(fā)展有什么推動(dòng)和新的應(yīng)用?

　　我們知道微納米技術(shù)的發(fā)展重要的方面是出現(xiàn)了很多新的材料，如納米碳管、石墨烯，把這些材料變成有用的裝置，比如傳感器、電子元器件，其中很重要的過(guò)程就是制造過(guò)程。

　　在制造過(guò)程中，我們需要有工具，還有一些加工過(guò)程。我們有車床、銑床和裝配的過(guò)程。但是在微納米領(lǐng)域，由于材料尺寸非常小，看不到也摸不著，就給加工帶來(lái)了很多困難，要做到這一點(diǎn)首先要開發(fā)一些新的工具和新的制造手段，這樣才能把微納米材料變成變成有用的元器件。

　　機(jī)器人技術(shù)就在這里面起到了一個(gè)很重要的作用，幫助人們把原來(lái)看不到、摸不著的，變成了能看到、能摸著的，還可以進(jìn)行裝配和生產(chǎn)。我們開發(fā)了一套微納米的機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人可以把納米環(huán)境中物質(zhì)之間的作用力直接拓展，讓操作者可以感覺到，這樣可以直接控制微納米機(jī)器人，對(duì)微納米尺度的物質(zhì)和材料進(jìn)行操作，而且可以自動(dòng)的進(jìn)行操作和裝配。

　　下面是一個(gè)例子，這個(gè)是一個(gè)納米線，在納米線里黑的箭頭就是納米機(jī)器人，通過(guò)納米機(jī)器人的操作，我們可以自動(dòng)的把納米顆粒進(jìn)行移動(dòng)，把納米線進(jìn)行移動(dòng)，把它裝配成你設(shè)計(jì)的形狀。

　　超限機(jī)器人是什么樣的，比如說(shuō)納米機(jī)器人? | 2015 世界機(jī)器人大會(huì)

　　其中的CAD 模型，就設(shè)計(jì)了一個(gè)三角形，把納米線弄成三角形，把三個(gè)納米顆粒放在中間。由于這個(gè)設(shè)計(jì)，可以自動(dòng)轉(zhuǎn)化成機(jī)器人的裝配程序，納米機(jī)器人自動(dòng)按照一定的順序把這個(gè)材料裝配起來(lái)，整個(gè)過(guò)程是自動(dòng)的。

　　我們納米線的尺度只有 100 納米，頭發(fā)的平均直徑是 100 個(gè)微米，這個(gè)就等于是 100 千分之一頭發(fā)的直徑，是非常小的。

　　我們通過(guò)這個(gè)技術(shù)開發(fā)了一套生產(chǎn)制造系統(tǒng)，直接對(duì)納米線的加工進(jìn)行裝配。

　　首先是納米線和納米碳管，把它做成傳感器，這里面包括從材料的選取、裝配、電特性的測(cè)試到分裝的整個(gè)加工過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程制造納米器件和傳感器。通過(guò)這個(gè)制造了一個(gè)紅外傳感器，由于納米線有很多獨(dú)特的性質(zhì)，比如熱噪聲非常小，靈敏度非常高。所以用納米線做出的紅外傳感器靈敏度高，而且由于它的熱噪聲小，也不需要冷卻系統(tǒng)，所以能夠做出高靈敏度、小體積的紅外傳感器。

　　但是要做到這一點(diǎn)主要的困難是必須有可靠的加工裝配手段，因?yàn)榧{米碳管必須做的非常非常小，傳統(tǒng)的做法根據(jù)沒有辦法裝配出納米紅外傳感器。

　　再講一個(gè)納米機(jī)器人在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用，我們知道機(jī)器人技術(shù)最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是制造業(yè)，特別是汽車制造業(yè)。

　　我們今天早上說(shuō)過(guò) 90%的工業(yè)機(jī)器人都用于汽車制造的過(guò)程。而生物醫(yī)藥領(lǐng)域的產(chǎn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽車行業(yè)，但是在新藥開發(fā)的過(guò)程中，很多過(guò)程都是人工的。裝配汽車一般的技術(shù)工人是高中畢業(yè)就可以了。但是在新藥開發(fā)過(guò)程中研究人員至少要大學(xué)畢業(yè)，很多是碩士、博士，所以開發(fā)成本是非常高的。怎么把這個(gè)過(guò)程自動(dòng)化是一個(gè)非常重要的工作，是今天醫(yī)藥行業(yè)面臨的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。最重要的一點(diǎn)是我們希望怎么把機(jī)器人的技術(shù)用于新藥開發(fā)的過(guò)程。

　　其實(shí)最簡(jiǎn)單就是要解決三個(gè)問題，一個(gè)是傳感器感知的問題，在新藥開發(fā)里面試驗(yàn)做新藥，要有辦法測(cè)量藥效，這是一個(gè)感知的過(guò)程。同時(shí)要有一個(gè)操作的過(guò)程，就是把藥放到指定的地方，控制整個(gè)過(guò)程。怎么把原來(lái)在汽車制造業(yè)的技術(shù)用于新藥開發(fā)，如果能夠做到這一點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)非常高。

　　但是這里面臨著很大的挑戰(zhàn)，為什么?

　　汽車?yán)锩娴牧慵际侨嗽O(shè)計(jì)的，尺寸都一樣的，有誤差但是很小，是一個(gè)結(jié)構(gòu)性的環(huán)境，對(duì)機(jī)器人做高速重復(fù)性工作是很有利的。但是在新藥開發(fā)的過(guò)程中要實(shí)驗(yàn)，可能在細(xì)胞上試驗(yàn)，每一個(gè)細(xì)胞長(zhǎng)的不一樣，位置也不一樣，是非結(jié)構(gòu)性的環(huán)境，怎么克服這個(gè)環(huán)境，能夠把機(jī)器人用于新藥的開發(fā)，是一個(gè)很重要的技術(shù)問題。

　　現(xiàn)在開發(fā)一個(gè)新藥要 10-15 年的時(shí)間，要花 10-15 億美元。像輝瑞制藥這樣的公司每年只能開發(fā)出 1-2 個(gè)新藥，花費(fèi)的錢很多。人類卻不斷出現(xiàn)新的疾病，病越來(lái)越多，研發(fā)藥物的費(fèi)用越來(lái)越高，出現(xiàn)的新藥越來(lái)越少，是人類面臨的很大挑戰(zhàn)，解決這個(gè)問題重要的途徑就是把新藥開發(fā)的過(guò)程自動(dòng)化，如果能夠自動(dòng)化，帶來(lái)的效益是非常高的。

　　整個(gè)汽車行業(yè)的價(jià)值是 8650 億美元，人們估計(jì)機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生了 6560 億的價(jià)值，如果不用機(jī)器人、自動(dòng)化，現(xiàn)在的產(chǎn)值也就 2000 多億，自動(dòng)化和機(jī)器人帶來(lái)了 6000 多億的產(chǎn)值。如果用同樣的模式把這個(gè)轉(zhuǎn)移到制藥工業(yè)，比汽車產(chǎn)值大，達(dá)到 9800 億，而且自動(dòng)化程度非常低，潛在的價(jià)值有 6800 多億的空間。如果能夠成功的把機(jī)器人和自動(dòng)化用于新藥開發(fā)，產(chǎn)生像今天汽車工業(yè)這么大的應(yīng)用，能夠創(chuàng)造五六千億的價(jià)值，這是潛在非常大。但問題和挑戰(zhàn)也是很大，困難也是很多的。

　　我們?cè)谶@方面做了一個(gè)工作，我們要開發(fā)一套自動(dòng)化的系統(tǒng)，就像今天的生產(chǎn)自動(dòng)化一樣，不是裝配零件而是開發(fā)新藥，傳送帶送來(lái)的都是細(xì)胞，用機(jī)器人把藥物放在細(xì)胞上這是一個(gè)操作過(guò)程，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，看藥物的效果，這樣要高速的進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，這樣才能提供效率，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量的藥物直接在細(xì)胞上進(jìn)行篩選，就可以提高新藥開發(fā)的效率。要做到這樣，需要操作、傳感、控制，這就是機(jī)器人技術(shù)在里面起到的作用。

　　下面舉兩個(gè)具體的例子。一個(gè)是我們跟沈陽(yáng)自動(dòng)化所合作進(jìn)行的研究。

　　我們知道淋巴癌是非常致命的一種癌癥，死亡率非常高。但是現(xiàn)在人們開發(fā)了一種靶向治療藥物，這種藥物在淋巴癌細(xì)胞上有一個(gè)靶點(diǎn)，叫 CD20，它是一個(gè)受體，如果把這個(gè)美羅華這種抗體結(jié)合到 CD20 的受體上，就可以把癌細(xì)胞殺死。這個(gè)對(duì)放療和化療都有好處，因?yàn)樽龌煵还苁钦＜?xì)胞還是癌細(xì)胞都?xì)⑺?，把人的免疫能力破壞了，所以副作用特別大，但是這個(gè)沒有副作用，所以叫靶向治療，它只殺癌細(xì)胞。但問題是有很多人雖然有同樣的淋巴癌，但是沒有效果，有些人卻很有效果。

　　這是一個(gè)很重要的問題。在你進(jìn)行治療之前，如果你能夠預(yù)測(cè)治療的效果，對(duì)醫(yī)生進(jìn)行治療的決定一個(gè)很重要的信息。

　　但是在治療之前，你怎么能知道治療效果呢?

　　現(xiàn)在我們就開發(fā)了一種技術(shù)，把病人的瘤細(xì)胞取出來(lái)，用納米機(jī)器人把美羅華的抗體抓起來(lái)，直接放到 CD20 的受體上，然后進(jìn)行測(cè)量，看看能不能把癌細(xì)胞殺死。我們發(fā)現(xiàn)同樣的癌細(xì)胞，CD20 和美羅華的結(jié)合率是一樣的。如果結(jié)合率太小殺不死癌細(xì)胞，結(jié)合率大就可以殺死。

　　有了這項(xiàng)技術(shù)就可以在治療前把病人的癌細(xì)胞取出來(lái)，然后進(jìn)行測(cè)量，看看美羅華能不能把癌細(xì)胞殺死，如果能夠殺死的話，我們?cè)龠M(jìn)行資料，這樣的話就能夠預(yù)測(cè)治療的效果，給醫(yī)生對(duì)病人的治療方案起到了很重要的作用，不僅節(jié)省病人的費(fèi)用，同時(shí)也節(jié)省了很多時(shí)間。我們用納米機(jī)器人把美羅華的分子抓起來(lái)，放到病人 CD20 的受體上進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的大量統(tǒng)計(jì)，我們會(huì)獲得數(shù)據(jù)，知道當(dāng)結(jié)合率達(dá)到一定程度的時(shí)候治療結(jié)果是怎樣的，這樣給醫(yī)生提供重要的信息，對(duì)于癌癥的治療起到很好的作用。

　　再有一個(gè)工作是幫助新藥開發(fā)。我們知道很多人的聽力不好，為什么?

　　人的耳朵里有一種絨毛細(xì)胞，我們說(shuō)話的時(shí)候，絨毛會(huì)震動(dòng)，絨毛通過(guò)震動(dòng)打開了與細(xì)胞上的離子通道，然后離子進(jìn)入細(xì)胞，然后從這個(gè)細(xì)胞傳到神經(jīng)上，人們就能夠聽到東西，這是聽力的過(guò)程，很多人的絨毛細(xì)胞有問題。通過(guò)振動(dòng)產(chǎn)生、打開了細(xì)胞上的離子通道，離子電流進(jìn)入細(xì)胞，這個(gè)細(xì)胞傳到神經(jīng)上，人們就能夠聽到東西了，這是聽力工作的過(guò)程，但是很多人的絨毛細(xì)胞有問題，機(jī)械震動(dòng)以后打不開離子通道，就產(chǎn)不了離子電流，所以就會(huì)聽不到或者某些頻道的聲音聽不到。

　　在治療這種病人時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)就知道某種細(xì)胞有作用或者沒有作用。做要這一點(diǎn)要有手段，第一要把藥物放進(jìn)去，第二要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)量，還要有辦法測(cè)量離子通道，我們開發(fā)了一套系統(tǒng)，通過(guò)納米機(jī)器人，可以產(chǎn)生這種直接推動(dòng)絨線同時(shí)測(cè)量離子電流，這樣的話在小的環(huán)境中，我們就可以對(duì)藥物進(jìn)行高速的篩選，開發(fā)出新的藥物就治療跟絨線細(xì)胞有障礙的有關(guān)的聽力的問題。

　　今天講這幾個(gè)例子主要想說(shuō)明一點(diǎn)：

　　機(jī)器人技術(shù)除了代替人以外，更重要還能拓展人的功能，能夠做一些人做不到的事情，通過(guò)跟信息技術(shù)結(jié)合可以在遠(yuǎn)出進(jìn)行感知和控制。

　　通過(guò)納米機(jī)器人可以在微小的環(huán)境中進(jìn)行感知和控制，能夠克服由于距離、尺度、環(huán)境給人帶來(lái)的困難，然后進(jìn)行操作和控制。在我們看不到的空間里有一個(gè)廣泛的空間。機(jī)器人除了代替人在我們的范圍內(nèi)有廣泛的應(yīng)用以外，我們?cè)僮咭徊?，在看不到、摸不著的環(huán)境里，機(jī)器人同樣可以起到很大的作用，創(chuàng)造很大的價(jià)值，為人類做出很大的貢獻(xiàn)。